SZENNYVÍZISZAPOK BIOLÓGIAI …doktori.bibl.u-szeged.hu/2353/1/Beszedes disszertacio.pdfPhD értekezés, Beszédes Sándor, 2014 _____ 6 1 BEVEZETÉS A szennyvíztisztítási technológiák

SZENNYVÍZISZAPOK

BIOLÓGIAI LEBONTHATÓSÁGÁNAK NÖVELÉSE

MIKROHULLÁMÚ ELŐKEZELÉSSEL

PhD értekezés

Beszédes Sándor

Témavezető: Dr. Hodúr Cecilia

egyetemi tanár, PhD

Társ-témavezető: Dr. Keszthelyi-Szabó Gábor

egyetemi tanár, az MTA Doktora

Környezettudományi Doktori Iskola

Szegedi Tudományegyetem

Szeged

2014

PhD értekezés, Beszédes Sándor, 2014

____________________________________________________________________

2

TARTALOMJEGYZÉK

JELMAGYARÁZAT ................................................................................................ 4

1 BEVEZETÉS...................................................................................................... 6

2 IRODALMI ÁTTEKINTÉS ............................................................................. 9

2.1 A mikrohullámú sugárzás és hőkeltési sajátosságai ............................... 9

2.1.1 A mikrohullámú sugárzás fizikai alapjai ........................................ 9 2.1.2 A mikrohullámú hőkeltés alapjai ................................................... 14

2.2 A mikrohullámú sugárzás alkalmazása és hatásai ............................... 22

2.2.1 A mikrohullám alkalmazási területei............................................. 22 2.2.2 A mikrohullámú sugárzás hatásai a biológiai rendszerekre........ 27 2.2.3 A mikrohullámú sugárzás nem-termikus hatásai......................... 29

2.3 Mikrohullámú technika alkalmazása a szennyvíziszap-kezelésben.... 33

2.3.1 Szennyvíziszapok és kezelési lehetőségeik ..................................... 33 2.3.2 A mikrohullámú iszapkezelés eddigi eredményei ......................... 40

2.3.2.1 Iszapszerkezetre gyakorolt hatások .............................................40 2.3.2.2 Az anaerob fermentáció hatékonyságára gyakorolt hatások ....45

3 CÉLKITŰZÉS ................................................................................................. 48

4 ANYAGOK ÉS MÓDSZEREK...................................................................... 49

4.1 A kísérletekhez felhasznált iszapok........................................................ 49

4.2 Mikrohullámú kezelések ......................................................................... 50

4.3 Dielektromos jellemzők meghatározása ................................................ 52

4.4 Vizsgálati és analitikai módszerek ......................................................... 53

4.4.1 Biokémiai oxigénigény mérése........................................................ 53 4.4.2 Kémiai oxigénigény mérése............................................................. 54 4.4.3 Szárazanyag tartalom és összes illékony szilárd anyag................ 55 4.4.4 Anaerob rothasztási tesztek ............................................................ 55 4.4.5 Mikrobiológiai vizsgálatok.............................................................. 56

5 EREDMÉNYEK ÉS ÉRTÉKELÉSÜK ......................................................... 57

5.1 A vízoldható szervesanyagfrakció változásai ........................................ 57

5.1.1 Termikus iszapkezelési módszerek összehasonlító vizsgálata ..... 57 5.1.2 Mikrohullámú műveleti paraméterek és a szervesanyag oldhatóság összefüggése ...................................................................................................... 61


____________________________________________________________________

3

5.2 A biológiailag bontható szervesanyagfrakció változásai...................... 67

5.2.1 Termikus és mikrohullámú eljárás összehasonlító vizsgálata ..... 67 5.2.2 A mikrohullámú eljárás kezelési körülményeinek hatása ........... 70 5.2.3 A biológiailag bontható komponensek relatív arányának változása ........................................................................................................... 72

5.3 Mikrohullámú iszapkezelés műveleti paramétereinek optimálása ..... 77

5.3.1 Mikrohullámú kezelés jellemzésére alkotott paraméterek .......... 77 5.3.2 Mikrohullámú kezelés műveleti paramétereinek optimálása...... 80

5.4 A mikrohullámú előkezelés hatása az anaerob fermentációra............ 86

5.4.1 Az illékony komponensek változása............................................... 86 5.4.2 Mezofil rothasztási tesztek eredményei ......................................... 88 5.4.3 A rothasztást megelőző mikrohullámú kezelések energia-hasznosulási mutatói............................................................................................ ........................................................................................................... 97

5.5 Az iszap szervesanyag frakciójában bekövetkező változások és a

dielektromos jellemzők összefüggése ............................................................... 100

5.6 Költségbecslés és megtérülési idő számítása........................................ 106

6 ÖSSZEFOGLALÁS ...................................................................................... 111

7 ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK ........................................................ 114

8 SUMMARY .................................................................................................... 117

9 IRODALOMJEGYZÉK ............................................................................... 120

10 A DOKTORI ÉRTEKEZÉS ALAPJÁT KÉPEZŐ KÖZLEMÉNYEK... 127

KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS............................................................................... 129


____________________________________________________________________

4

JELMAGYARÁZAT

α csillapítási tényező [-]

B mágneses indukció [N s (C m)-1]

BDI biodegradation index, biodegradálhatósági index [-]

BOD (BOI) biochemyal oxygen demand, biokémiai oxigénigény [kgm-3]

COD (KOI) chemycal oxygen demand, kémiai oxigénigény [kgm-3]

cp állandó nyomáson mért fajhő [kJkg-1K-1]

cv(CH4) metánkoncentráció a biogázban [V/V%]

D elektromos eltolás [C m-2]

dp penetrációs mélység [m]

E elektromos térerősség [V m-1]

ε permittivitás [-]

ε’ dielektromos állandó [-]

ε” dielektromos veszteségi tényező [-]

EPS extracellular polymerc substance, sejteen kívüli polimer állomány

f frekvencia [Hz]

φ magnetron villamosenergia transzformációs hatásfoka [-]

FÁ földgáz bruttó díja [Ft/MJ]

H mágneses térerősség [A m-1]

η dinamikai viszkozitás [Pas]

I szakaszos mikrohullámú kezelés sugárzási idő [%]

IMWE irradiated microwave energy, közölt mikrohullámú energia [kJg-1]

J áramsűrűség [A m-2]

k fajlagos iszapkezelési költség [Ft/kg]

K1 teljesítménydíj [Ft/kW]

K2 fogyasztási díj [Ft/kWh]

KV havi teljes üzemeltetési költség [Ft/hónap]

λ hullámhossz [m]

µ mágneses permeabilitás [H m-1]

MWPL microwave power level, mikrohullámú teljesítmény-intenzitás [Wg-1]

PCOD particular chemycal oxygen demand, szilárd fázisban mért kémiai oxigénigény [kgm-3]

Pd disszipált teljesítmény [W]

Pf fajlagos teljesítmény [W]


____________________________________________________________________

5

Pm magnetron teljesítmény [W]

q metán energiatartalma [MJ/m3]

qm tömegáram [gs-1]

ρ sűrűség [kgm-3]

R nyereség [Ft]

R’ nettó nyereség [Ft]

σ elektromos vezetőképesség [S m-1]

SCOD soluble chemycal oxygen demand, vízoldható fázisban mért kémiai oxigénigény [kgm-3]

SLI solubility index, szervesanyag oldhatósági index [-]

τmegt megtérülési idő [hónap]

τüz napi üzemelési idő [óra]

TCOD total chemycal oxygen demand, kémiai oxigénigény a teljes iszapmátrixból [kgm-3]

TS total solids, száranyagtartalom [m/m%]

Ybiogáz fajlagos biogázkitermelési mutató [mL g-1]

VCH4 képződő metán térfogat a [L]

VS volatile solids, illékonyanyag szárazanyagtartalom [m/m%]


____________________________________________________________________

6

1 BEVEZETÉS

A szennyvíztisztítási technológiák egyre szélesebb körben való terjedése, és a

technológiák hatékonyságának növekedése, a kibocsátott tisztított víz minőségi

paramétereinek folyamatos javulását okozza. A vízminőség javulásával és a tisztított

szennyvíz arányának növekedésével párhuzamosan azonban a kommunális

szennyvíztisztítók és egyes ipari szennyvíztisztító létesítmények üzemeltetői egyre

gyakrabban szembesülnek a keletkező szennyvíziszapok kezelésének – ártalmatlanítás,

tárolás, szállítás, hasznosítás – problémájával.

Az üzemi gyakorlatban a teljes üzemeltetési költségeket tekintve a szennyvíziszap

kezelésének költségeit a szennyvízkezelés költségeivel közel azonos súllyal kell figyelembe

venni, ezért a szennyvíziszap kezelés és hasznosítás a kutatás-fejlesztési munkák területén

egyre nagyobb hangsúlyt kap.

A szennyvíziszap hasznosítása legtöbbször a mezőgazdasági területeken komposztálás,

vagy anaerob fermentációs eljárások keretében történik. Környezetterhelési,

környezetbiztonsági, higiénia és gazdasági megfontolások alapján is célszerűnek látszik az

iszapok előkezelése. A hasznosítási eljárások során egyrészt biztosítani kell, hogy a

környezeti elemekkel kapcsolatba kerülő iszap patogén mikroorganizmusoktól és toxikus

komponensektől mentes legyen, továbbá a lerakás vagy szállítás költségessége miatt a

térfogata csökkenjen és a tárolás során a benne végbemenő mikrobiológiai és biokémiai

folyamatok kockázatot ne jelentsenek, illetve a további hasznosítás hatásfoka megfelelő

legyen.

A lehetséges kezelési eljárások közül a termikus módszereket alkalmazzák a

legszélesebb körben. A termikus kezelések legfontosabb célja a vízteleníthetőség javítása,

vagy a nedvességtartalom csökkentése, az iszapok bűzterhelésének mérséklése és a

mikrobiális kockázatuk csökkentése, valamint a rothaszthatóságuk javítása. A termikus

iszapkezelés és előkezelésre vonatkozó több évtizedes kedvező tapasztalatok

alátámasztották a módszer alkalmazhatóságát.

A hagyományos hőközlési eljárások alternatívájaként az utóbbi évtizedekben egyre

többet vizsgálják a mikrohullámú energiaközléses műveleteket. A mikrohullámú sugárzás a

speciális hőkeltési tulajdonságai révén, továbbá a változó, nagyfrekvenciás térben létrejövő

ún. nem-termikus hatások miatt egyre szélesebb körben vált felhasználhatóvá. Ezek a


____________________________________________________________________

7

speciális tulajdonságok például: az anyag magbelsejében történő hőfejlődés, a hőmérsékleti

és nedvesség gradiens-vektorok azonos iránya (magbelsőtől a felszíni felé), az eltérő

dielektromos tulajdonságok miatt fellépő szelektív felmelegítés jelensége a

többkomponensű rendszerekben, a nagy energiasűrűség miatti gyors felmelegítő képesség

stb.

A mikrohullám alkalmazási területei kiterjednek a nedvesség-elvonási műveletekre, a

gyógyászatra, élelmiszeripari felhasználásra, kémiai szintézisekre és egyes

környezetvédelmi és hulladék-hasznosítási eljárásokra is. A mikrohullám széles körű

felhasználása és potenciális alkalmazási lehetőségeinek kutatásai ellenére, az ipari

hasznosítás lehetőségeit megteremtő tapasztalatok csak kismértékben állnak

rendelkezésünkre.

A doktori értekezésemben a mikrohullámú energiaközléses szennyvíziszap kezelés

vizsgálatával foglalkozom. A mikrohullámú iszapkezelésre vonatkozó szakirodalmi

közlemények a rendelkezésre álló mikrohullámú témakörben megjelent publikációknak

csupán néhány százalékát teszik ki. Az eddigi eredmények tekintetében megállapítható,

hogy a mikrohullám az iszapok esetében intenzív nedvességelvonást tesz lehetővé, továbbá

az alkalmazásával egyes komponensek (pl. hasznosítható fémek) jó hatásfokkal

kinyerhetőek, valamint az anaerob fermentációt megelőzően alkalmazva a biogáz

produktum növelhető.

Az egyes közleményekben szereplő kezelési körülményeket és eredményeket

részletesen megvizsgálva azonban sok esetben egymásnak ellentmondó megállapítások

szerepelnek. A mikrohullámú módszer alkalmazhatóságának megítélését megnehezíti, hogy

a különböző típusú és geometriájú berendezésekkel, eltérő kezelési intenzitások

alkalmazásával kapott eredmények eltérő mérési metodikájú és különböző számítási

módszerekkel képzett mutatók felhasználásával kerültek értékelésre és bemutatásra. A

rendelkezésre álló mikrohullámú előkezelési eredmények és tapasztalatok szinte kivétel

nélkül kommunális eredetű, biológiai tisztítási fokozatból származó, csökkent szervesanyag

tartalmú és alacsony szárazanyag tartalmú iszapokra vonatkoznak.

Mindezek figyelembevételével a kutatási munkám célkitűzéseként az élelmiszeripari

eredetű, elsődleges szennyvíztisztítási technológiai lépcsőben keletkező iszapok


____________________________________________________________________

8

mikrohullámú kezelésének vizsgálatát, a kezelések hatásának matematikai modellezését és

optimálását fogalmaztam meg.

A mikrohullámú iszapkezelés vizsgálata során, az előzetes eredményeim alapján, a

szakirodalmi közleményekben szereplő magnetron teljesítmény és kezelési idő, mint

műveleti paraméterek mellett a közölt energia nagyságának és a fajlagos kezelési intenzitás

mértékének, mint eljárás paraméterek a hatását vizsgáltam.

A kísérleti munkám célja volt továbbá, a mikrohullámú iszap-előkezelésnek az anaerob

fermentáció folyamatára gyakorolt hatásainak elemzése is. Az előkezelések

hatékonyságának vizsgálata és összehasonlíthatósága céljából a munkám során mezofil

hőmérséklettartományú rothasztási próbák alkalmazásával vizsgáltam az anaerob

fermentáció fajlagos biogáz-kihozatali mutatóit, az előkezelt iszapokból keletkező biogáz

összetételét, illetve az anaerob lebontási folyamat dinamikáját. Mindezek ismeretében

továbbá célom volt a mikrohullámú iszap előkezelések energiahasznosulási mutatóinak

elemzése és a kezelések energetikai szempontú optimálása is.


____________________________________________________________________

9

2 IRODALMI ÁTTEKINTÉS

2.1 A mikrohullámú sugárzás és hőkeltési sajátosságai

A mikrohullámú ipari- és háztartási készülékek alkalmazása egyre elterjedtebb, a

mikrohullámú hőkeltés okozta számos előnyös tulajdonságai következtében. A fejezetben

rövid összefoglalást adok a mikrohullámú sugárzásról, valamint annak speciális hőkeltési

mechanizmusáról. Dolgozatom főbb tématerülete a mikrohullámú anyagkezelés, és ezen

belül a mikrohullámú iszapkezelés, így a telekommunikációs, radartechnikai és

méréstechnikai alkalmazások tárgyalásától eltekintettem.

2.1.1 A mikrohullámú sugárzás fizikai alapjai

A mikrohullámú (MW) sugárzás az elektromágneses (EM) spektrum azon tartománya,

amelynek frekvenciája 300 MHz és 300 GHz, illetve hullámhossza 106 és 109 nm között

van. A teljes EM spektrumot tekintve a mikrohullámú tartomány az infravörös- és a

rádiófrekvenciás sugárzás között található (Almássy, 1964).

A MW sugárzás tulajdonságai és hatásai hullámterjedési sajátosságaira vezethető vissza,

mivel az, az EM sugárzás többi tartományához hasonlóan, oszcilláló elektromos-, és

mágneses mezőkből álló hullámok sorozata. Az elektromágneses tér hullám- és

korpuszkuláris tulajdonságokkal egyaránt rendelkezik, amelynek következtében az energia

kvantumok formájában terjed.

Mivel a mikrohullámot a navigációs rendszerekben, a radar- és híradástechnikában

széles körben alkalmazzák, a Nemzetközi Telekommunikációs Szövetség (ITU:

International Telecommunication Union) az esetleges interferenciák elkerülése céljából az

ipari-, tudományos- és orvosi- alkalmazások számára az ún ISM frekvenciasávokat jelölte

ki, amelyek közül két frekvencia használata, a 915 ± 13MHz és a 2450 ± 50 MHz,

engedélyezett ipari vagy háztartási felmelegítési feladatokban való alkalmazásra (Nelson,

2010). A mikrohullámú sugárzást hőkeltési célra 1937-től kezdték el használni, az első

háztartási célra is használható mikrohullámú sütő 1947-ben jelent meg, majd 1975-től már

a laboratóriumokban, kémiai reakciókban hőkeltési célra is alkalmazzák. (Remya et al.,

2011).


____________________________________________________________________

10

A frekvencia (f [Hz – s-1]) és a hullámhossz (λ [m]) között a hullám terjedési sebessége

(v [ms-1]) teremt kapcsolatot.

][mf

v====λλλλ (1)

Ha az (1) általános összefüggést tekintjük, és az elektromágneses hullámok légüres

térben való terjedési sebességét (v0 = 3×108 m s-1) vesszük számításba, az előzőekben

meghatározott rögzített frekvenciákon a szabadtéri hullámhossz λ2450 MHz= 12,24 cm és λ915

MHz= 32,79 cm értékeknek adódnak.

Az elektromágneses tér egyes állapotjelzőinek kapcsolata a Maxwell-féle

differenciálegyenlet rendszerrel írható le. Az elektromágneses tér állapota a hely- és időtől

(τ) függő elektromos térerősség (E [V m-1]), a mágneses térerősség (H [A m-1]), az

elektromos eltolás (D [C m-2]) és a mágneses indukció (B [N s (C m)-1]) vektorokkal írható

le.

Az elektromágneses teret az áramsűrűség (J [A m-2]) és a töltéssűrűség ( ρe [C m-3])

hozza létre, és a közegek állapotjelzői közül a mágneses permeabilitás (µ [H m-1]), az

elektromos vezetőképesség (σ [S m-1]) és a permittivitás (ε [-]) a meghatározó. A Maxwell-

féle egyenletrendszer a (2)-(6) egyenletekkel adható meg (Pennock and Shepherd, 1998):

JD

H ++++∂∂∂∂

∂∂∂∂====××××∇∇∇∇

ττττ (2)

ττττ

µµµµ

ττττ ∂∂∂∂

∂∂∂∂−−−−====

∂∂∂∂

∂∂∂∂−−−−====××××∇∇∇∇

HBE (3)

EJ σσσσ====∇∇∇∇. (4)

eED ρρρρεεεε ====∇∇∇∇====∇∇∇∇ .. (5)

0.. ====∇∇∇∇====∇∇∇∇ HB µµµµ (6)


____________________________________________________________________

11

A permittivitás (ε) tehát megadható az elektromos térerősség és az elektromos eltolás

(elektromos fluxus-sűrűség) hányadosaként (Housecroft and Sharpe, 2005).

====εεεε

VmAs

ED

(7)

Az abszolút permittivitás értelmezhető a relatív permittivitás (εr [-]) bevezetésével,

amely a vákuum permittivitásához (ε0=8,8542×10-12 [As(Vm)-1]) viszonyított érték (8).

r0 εεεε××××εεεε====εεεε (8)

A relatív permittivitás továbbá a dielektromos állandó (ε’) és a dielektromos veszteségi

tényező (ε”) felhasználásával a (9) általános formában is megadható (Komarov et al.,

2005).

"j'r εεεε−−−−εεεε====εεεε (9)

A kifejezés komplex szám, amely megmutatja, hogy a külső tér polarizáló hatását a

molekuláris súrlódás csillapítja. A komplex kifejezés valós tagja, a dielektromos állandó

(ε’), a kezelt anyagnak az elektromos tér energiájára vonatkozó tároló képességét jellemzi.

A képzetes rész, a dielektromos veszteségi tényező (ε”), értéke az anyagban történő

elnyelődés (abszorpció) következtében létrejövő hőkeltés mértékével arányos, amely az

elektromos tér szempontjából veszteségként jelentkezik (Beke, 1997).

A gyakorlati tapasztalatok szerint a 10-2-nál kisebb dielektromos veszteségi tényezővel

rendelkező anyagoknál csak nagy elektromos térerősség esetén érhető el számottevő

hőmérsékletemelkedés, jelentős felmelegedést csak az 5-nél nagyobb dielektromos

veszteségi tényezővel rendelkező anyagoknál tapasztalunk.

Az mikrohullámú sugárzással szembeni viselkedésük alapján az anyagok három

csoportba oszthatóak:

• elnyelők (abszorbeálók, dielektrikumok): pl. víz

• áteresztők (transzparens anyagok): pl.: teflon

• visszaverők (reflektáló anyagok): pl.: fémek


____________________________________________________________________

12

1. ábra. Anyagok viselkedése mikrohullámú (MW) sugárzás hatására (Remya and Lin, 2011 alapján)

Mivel az anyagok sugárzást elnyelő-, illetve visszaverő képessége elsősorban a

dielektromos tulajdonságuk által meghatározott, ezért az áteresztő anyagok alacsony-, az

abszorbeálók magas dielektromos veszteségi tényezővel jellemezhetőek. A mikrohullámú

sugárzás, az azt elnyelő (veszteséges) közegben az ún. dielektrikumokban, a szabadtéritől

eltérő hullámhosszakon terjed. Egyfázisú rendszerben, illetve dielektromos szempontból

homogén anyagokban a dielektromos állandó permittivitás (ε) és a sugárzás vákuumban

való terjedési hullámhossza (λ0) ismeretében a terjedési hullámhossz (λ) a (10)

összefüggéssel adható meg (Pozar, 1998).

][5,0

0 mεεεε

λλλλλλλλ ==== (10)

Gyakorlati szempontok alapján, a klasszikus hullámterjedési tulajdonságokon történő

csoportosításon túl, egy negyedik csoportot az ún. kevert abszorbereket is

megkülönböztetnek. Ebbe a csoportba gyakorlatilag a különféle kompozitok és az eltérő

dielektromos tulajdonságú anyagokból álló, többfázisú rendszerek tartoznak. Az alacsony

dielektromos veszteségű komponensen a mikrohullámú sugárzás kis elnyelődés mellett,

vagy gyakorlatilag csillapítás nélkül, keresztülhatol, míg a magas veszteségű

komponens(ek) abszorbeálják a sugárzott energiát, vagyis létrejön az ún. „szelektív

melegítés” (Leadbeater, 2011). A mikrohullámú melegítés specifikuma éppen ez, hiszen


____________________________________________________________________

13

sem konvektív, sem konduktív, sem radiációs hőközlés esetében a szelektív felmelegedés

nem tapasztalható. A különböző dielektromos tulajdonságú komponenseket tartalmazó

rendszerek esetében fellépő szelektív felemelegedést használják ki az úgynevezett

mikrohullámú hibrid hevítési (MHH) eljárásokban is ahol az alacsony veszteségi tényezőjű

felmelegítendő anyaghoz valamilyen magas mikrohullámú energia abszorpcióra képes –

magas dielektromos veszteségi tényezővel rendelkező - szilárd részecskét, például

szilícium-karbidot adagolnak. A mikrohullámú sugárzás a transzparens anyagon áthatol, az

abszorber gyorsan és magas hőmérsékletre melegedve döntően radiációval adja át a hőt az

őt körülvevő fázisnak. Sok esetben a transzparens anyag magasabb hőmérsékleten már

képes abszorbeálni a mikrohullámú energiát, így a felmelegedési sebesség ugrásszerűen

tovább növekszik (Clark et al., 2000).

Diszperz fázist tartalmazó rendszerek átlagos effektív permittivitásának (εeff)

számítására a folytonos fázis permittivitásának (ε1) és a diszperz fázist alkotó komponens

térfogati koncentrációjának (c2) és permittivitásánák (ε2) ismeretében a (11) Garnett-féle

összefüggés használható (Greffe et al., 1992).

)(c2

)(c22

12221

122211eff

εεεε−−−−εεεε−−−−εεεε++++εεεε

εεεε−−−−εεεε++++εεεε++++εεεεεεεε====εεεε (11)

Az összefüggés alkalmazásának feltétele, hogy a diszperz fázis térfogati koncentrációja

20%, vagy ennél kisebb; illetve a folytonos fázis permittivitása a diszperz fázisét ne haladja

meg. Egy szélesebb körben, mintegy 50%-os koncentráció értékig alkalmazható a kétfázisú

rendszerek permittivitásának becslésére a (12) számú Kamyoshi öszefüggés (Kremer and

Schönhals, 2003).

III

IIIeff

2

εεεε++++εεεε

εεεεεεεε====εεεε (12)

ahol,

(((( ))))


εεεε−−−−εεεε−−−−−−−−

εεεε−−−−εεεε

εεεε++++εεεε++++εεεε====εεεε 3/10

2

12

122

12

2121I c

43

33525.0c

2/c31 (13)

(((( ))))

−−−−


εεεε−−−−εεεε−−−−−−−−−−−−

εεεε−−−−εεεε

εεεε++++εεεε−−−−++++εεεε====εεεε 3/10

2

21

212

21

1222II )c1(

43

33525.0)c1(

2/c1(31 (14)

Az egyes fázisok jelölései a (11) egyenletben használtakkal megegyeznek.


____________________________________________________________________

14

2.1.2 A mikrohullámú hőkeltés alapjai

A mikrohullámú sugárzás hatására az anyagban történő hőfejlődés, az anyagi

tulajdonságoktól függően, alapvetően két mechanizmus, az ionos polarizáció és a dipólusos

rotáció útján mehet végbe. Az ionos polarizáció jelensége olyan oldatok esetében

számottevő, ahol oldott állapotú, elmozdulásra képes ionok vannak jelen. Az időben

gyorsan változó elektromágneses térben a hidratált, vagy szolvatált ionok az erőtér

pólusainak változása miatt folyamatosan változó irányú mozgásban vannak. Az ionok

vándorlása és a folyamatos ütközések következtében a részecskék kinetikai energiája

hőenergiává alakul át (Metaxas and Meredith; 1993).

A poláris molekulák az elektromágneses erőtér nélkül is dipólus-momentummal, ún.

permanens dipólus-momentummal, rendelkeznek. A poláros anyagok dipólusai a

szinuszosan változó nagyfrekvenciás térnek (amely az egyik fél-periódusban pozitív a

másik fél-periódusban negatív) megfelelően állnak be, azaz forognak, és forgásuk során a

molekulák közötti súrlódás következtében, továbbá egyes esetekben a kötések

felbomlásával, az elektromos energia először mozgási-, majd hőenergiává alakul. Az

apoláris anyagok a mikrohullámú energiát nem képesek elnyelni, vagyis szigetelőként

viselkednek. Azonban az elektromágneses sugárzás a molekulák elektronjainak

átrendeződését okozhatja, ún. indukált dipólusokat hozhat létre, amelyek elősegítik a

sugárzási energia abszorpcióját (Jacob et al., 1995).

A molekulák dielektromos térben történő relaxációjának (visszarendeződésének)

ideális esetben történő leírására a Debye egyenlet használható, amelyből az anyag ε∞

végtelen nagy frekvenciához tartozó dielektromos állandója ismeretében a relaxációs idő (τ)

a (15) egyenlettel adható meg (Tang et al., 2002).

)'(2

"∝∝∝∝−−−−

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅==== εεεεεεεε

ππππ

εεεεττττ

f (15)

Az általános definíciója szerint a relaxációs idő az az idő, amely alatt az

elektromágneses tér megszűnése után az orientációs polarizáció 1/e-ed részére csökken.

Általánosságban a nagyobb méretű molekulák nagyobb relaxációs idővel jellemezhetőek. A

mikrohullámú sugárzás intenzitása az anyagba hatolva, annak dielektromos tulajdonságaitól

függően, csillapodik. Az elektromos tér erősségének az anyagba történő belépésnél

tapasztalható E0 értékről l hosszon való exponenciális csökkenése, a Lambert-Beer


____________________________________________________________________

15

törvénynek megfelelően, a dielektromos jellemzők figyelembevételével, a (16)

összefüggéssel leírható.

−−−−==== lEE

'0

"2exp

εεεε

εεεε

λλλλ

ππππ (16)

A Lambert-Beer törvénnyel az anyagon belüli hőterjedés, valamint az elektromágneses

sugárzás penetrációja legtöbb esetben kielégítő pontossággal leírható, és a Maxwell

egyenletektől eltérően, nem szükséges az elektromágneses tér erősségének anyagon belüli

meghatározása, amely méréstechnikai szempontból sok esetben nehezen kivitelezhető

(Curet et al., 2008). Ha azonban a kezelt anyag rétegvastagsága lényegesen kisebb, mint az

adott frekvencián a sugárzás behatolási mélysége, a reflexiós jelenségek hatásának

figyelembevételére az egyszerűbb Lambert törvény már nem alkalmas (Yang and

Gunsekaran, 2004; Bhattacharya and Basak, 2006). A csillapodás, frekvenciától és az

anyagi tulajdonságoktól függő mértékének jellemzésére, elsősorban a kezelő-berendezések

tervezése és a sugárzásnak az egyes közegekben való terjedésének vizsgálata során a

csillapítási tényező (α) használatos (Ayappa et al., 1991).

5,02

1'

"1

2

'2

−−−−

++++====

εεεε

εεεεεεεε

λλλλ

ππππαααα (17)

A reális dielektrikumok a vezetőképességük következtében saját disszipációval is

rendelkeznek. Az anyagban az eredő áramsűrűség vektor és a térerősség vektor egymással

90-δ szöget zár be. A tanδ, a δ veszteségszögből képzett tag, amely a mikrohullámnak a

közegben való elnyelődését és az anyagot való felmelegítő képességére egyaránt jellemzi

(Kumar et al., 2001). A mikrohullámú tér magas körfrekvenciája (ϖ) miatt a saját

vezetőképesség lényegesen alacsonyabb, mint a ϖε” szorzat, ezért a dielektromos állandó

és a dielektromos veszteségi tényező ismeretében a tanδ a (18) képlettel számítható

(Metaxas and Meredith; 1993).

'

"tan

εεεε

εεεεδδδδ ==== (18)

A mikrohullámú sugárzás formájában az anyagba hatoló energia hőenergiává való

transzformációjának mértékével összefüggő dielektromos veszteség - ε”-, illetve a

felmelegedés mértékét és sebességét egyaránt és egy paraméterben jelző veszteség tangens,


____________________________________________________________________

16

tanδ, az anyagot alkotó molekulák geometriájától, kötéstípusaitól és azok elrendezésétől,

valamint a hőmérséklettől és a sűrűségtől, de biológiai anyagok esetében például a

víztartalomtól, és azon belül a víz kötési módjától is függ (Nelson, 2010).

A dielektromos anyagi jellemzők a frekvencia, illetve a hőmérséklet függvényében is

változnak. A legtöbb folyékony halmazállapotú, dielektromos szempontból „veszteséges”

anyagnál a dielektromos veszteségi tényező értékét alacsonyabb frekvenciatartományban

elsősorban az ionos vezetés befolyásolja, míg magasabb frekvenciatartományban az ionos

vezetés és a dipólus rotáció egyaránt meghatározó (Tang et al., 2002). Heterogén

rendszerekben, alacsony frekvenciájú sugárzás esetében a Maxwell-Wagner polarizációs

effektus is hozzájárul a dielektromos veszteségi tényező értékének növekedéséhez, amely a

komponensek érintkezési felületén bekövetkező töltéssűrűség változásra vezethető vissza

(Holtze et al., 2006).

2. ábra: A dielektromos veszteségi tényező (ε”) értékét meghatározó mechanizmusok különböző frekvencia tartományokban (Tang et al., 2002 alapján)

Tiszta víz esetében a dielektromos veszteségi tényező a maximális értékét a Debye

egyenlettel (19) meghatározható t relaxációs időtől függő kritikus frekvencián (fkrit) veszi

fel.

πτπτπτπτ====

2

1fkrit (19)


____________________________________________________________________

17

Vizet tartalmazó összetett rendszerekben a poláris vízmolekulák a poláris tulajdonságú

összetevők felületén egy- vagy több molekula vastagságnyi rétegben, kötött víz formájában,

helyezkednek el. A kötött víz relaxációs ideje nagyobb, mint a szabad vízmolekuláké, ezért

az attól fordított arányban függő kritikus frekvenciaértékek az alacsonyabb tartományba

tolódnak el (Komarov et al., 2005).

A hőmérsékletnek a dielektromos jellemzőkre gyakorolt hatása a relaxációs idő

változásával áll összefüggésben. A hőmérséklet növekedésével a folyadékok viszkozitása

csökken, ami a molekulák elmozdulással szembeni ellenállásának csökkenésével a

relaxációs idő értékét is csökkenti. A vezetőképesség a hőmérséklet növekedés hatására

növekszik, amelynek oka egyrészt az ionok mobilitásának a hőmérséklet növelés hatására

bekövetkező fokozódása, másrészt a hőmérsékletnövelés okozta viszkozitás csökkenés

(Wang et al., 2003). Mindezek értelmében a kritikus frekvenciaérték a hőmérséklet

emelkedésével növekszik és a frekvencianövelés a veszteségi tényező értékét csökkenti.

Ionokat tartalmazó oldatok esetében, egy rögzített frekvenciájú sugárzást alkalmazva, a

hőmérséklet növelése a dielektromos veszteségi tényező értékét növeli, poláris molekulák

alkotta rendszerekben 0°C feletti tartományban pedig csökkenti (de los Santos et al., 2003).

A dielektromos veszteségi tényezőnek a hőmérséklet hatására bekövetkező csökkenése

a kezelések energetikai mutatóit rontja, de már régóta ismert, hogy például egyes

élelmiszerek esetében éppen ez a csökkenés csökkenti a túlhevülés mértékét. A kisebb

energiaabszorpció kisebb mértékű hőfejlődés mellett szilárd testekben a vezetéses

hőtranszport révén már lehetővé teszi, hogy a hőmérsékletmező inhomogenitása csökkenjen

(Bengtsson and Risman, 1971). A frekvencia növelésének a dielektromos állandóra, egy

meghatározott értékig nincs számottevő hatása, ebben az alacsony- frekvenciatartományban

a dielektromos állandó a frekvenciától független (statikus). A frekvencia további növelése a

dielektromos állandó csökkenését és a dielektromos veszteségi tényező növekedését

okozza, a vízmolekuláknak az elektromágneses térben létrejövő diszperziós

kölcsönhatásainak következtében (diszperziós terület). Egy kritikus frekvenciát elérve a

dielektromos állandó értéke eléri minimumát, állandósul. A dielektromos jellemzők

szempontjából meghatározó diszperziós hatások víz esetében szűk-, többkomponensű -

vizet tartalmazó - rendszerekben szélesebb frekvenciatartományban jellemzőek, mivel az

utóbbi esetben az ionos vezetés is hatást gyakorol a dielektromos tényező, és a

dielektromos veszteségi tényező értékére is. (Beneduci A., 2008).


____________________________________________________________________

18

3. ábra. A dielektromos állandó és veszteségi tényező változása a frekvencia függvényében (Beneduci A., 2008 alapján)

A mikrohullámú szárítási folyamatok során a dielektromos állandó és a dielektromos

veszteségi tényező egyaránt csökken. Ennek egyik természetes oka az abszolút

nedvességtartalom csökkenése, másrészt, a szabad víztartalom csökkenése, amely már

nemcsak a dipólusos mechanizmusok hatásfokát csökkenti, hanem az ionos vezetési

jelenségekre is negatív hatással van. A szárítás esetében a nedvességtartalom egy kritikus

érték alá csökkenése esetén, kapillár-porózus anyagok esetében, a pórusok egy részét már

levegő tölti ki, amely az anyag átlagos dielektromos állandójának és a dielektromos

veszteségi tényezőnek az értékét egyaránt csökkenti (Nelson et al., 1994).

Az anyagok különböző dielektromos vesztesége miatti eltérő felmelegedést használják

ki például a szerves kémiai szintéziseknél is. Kétfázisú – kloroform/víz – rendszerben a

magas hőmérsékleten lejátszódó, poláris tulajdonságú vegyületekből kiinduló szintézis

reakcióközegeként a vizes fázist használták, míg az apoláris jellegű termék a szerves

oldószerben oldódott. Mivel a kloroform dielektromos veszteségi tényezője alacsonyabb,

mint a vízé, így a terméket tartalmazó fázis csak enyhén melegedett fel, amely

megakadályozta, hogy a termék hőbomlást szenvedjen (Raner et al., 1995).

A dielektromos szempontból veszteséges rendszerek esetében, az elektromos térerő, és

ezáltal a hatásos mikrohullámú teljesítmény értéke is exponenciálisan csökken az anyag

belseje felé haladva. A felülettől vett x [m] távolságban, a felületet érő mikrohullámú


____________________________________________________________________

19

sugárzás teljesítményének (P0) és a csillapítási tényezőnek (α) az ismeretében a hatásos

teljesítmény (P) a (20) összefüggéssel számítható (Komarov, 2012).

]W[ePP z20

αααα−−−−==== (20)

A mikrohullámú melegítés során a csillapítási tényezőn kívül az annál szemléletesebb

eredményt adó behatolási mélység számítását végzik. A behatolási (penetrációs) mélységet

(dp) legtöbbször annak a távolságnak definiálják, amelyen belül a felületet érő

mikrohullámú térerősség a behatolási felületen tapasztalható érték 1/e-ed részére csökken.

A közeg dielektromos állandója (ε’), dielektromos veszteségi tényezője (ε”), a fény

vákuumban való terjedési sebesség (v0) és a frekvencia értékének függvényében a

penetrációs mélység a (21) összefüggéssel számítható (Chandrasekaran et al., 2012).

(((( ))))][

1tan1'225,0

2

0 m

f

vd p

−−−−++++

====

δδδδεεεεππππ

(21)

A fenti összefüggés alapján is látható, hogy azonos anyag esetében a magas frekvencia

kisebb, az alacsonyabb frekvencia pedig nagyobb mélységű penetrációt tesz lehetővé,

vagyis magas frekvenciájú kezeléssel felületi, alacsonyabb frekvencián inkább térfogati

felmelegedés tapasztalható. A dielektromos tényező, illetve a tanδ értéke fordított

arányosságban áll a penetrációs mélységgel.

4. ábra: A penetrációs mélység (dp) értelmezése (Komarov et al., 2005 alapján)


____________________________________________________________________

20

Az általános megállapítás, miszerint a mikrohullámú energiaközléssel az anyag belülről,

egyenletesen melegíthető fel, csak a penetrációs mélység határán belül tekinthető igaznak.

Ha az alkalmazott mikrohullámú sugárzás hullámhossza a kezelt anyag egyik lineáris

méretével megegyezik, állóhullám alakul ki, amely elősegíti az ún. „hot-spot”-ok

kialakulását és nagymértékben rontja a hőmérsékletmező homogenitását. A „hot-spot”

kialakulását, illetve a hőmérséklet homogenitás időbeni instabilitását elősegíti az is, hogy

az elektromágneses tulajdonságok és a hőtani paraméterek egyaránt hőmérséklettől

függőek, azonban a hőmérséklettel nem lineárisan és nem azonos arányban változnak

(Reimbert et al., 1996). Az állóhullámok kialakulása a frekvencia csökkentésével is

lehetséges; az alacsonyabb frekvencián a dielektromos állandó és a veszteségszög is

növekszik. Az elektromágneses sugárzást tekintve tehát a hatásfok javul, azonban a

teljesítmény-veszteségből eredő hőmennyiség értéke ezzel ellentétesen változik, vagyis az

elektromágneses sugárzás hőenergiává való transzformációja magasabb frekvencián

kedvezőbb.

Az anyagban elnyelődött (abszorbeált, vagy disszipálódott) teljesítményt (Pd) – mivel a

mikrohullámú hevítés esetében sokszor annak térfogati felmelegítő tulajdonságát emelik ki

– legtöbbször térfogatra vonatkoztatva adják meg, mennyisége a (22) összefüggéssel

számítható a frekvencia (f), a kezelt anyagban kialakuló elektromos térerő (E) és az anyag

relatív (vákuumra vonatkoztatott) dielektromos tényezője (εr) ismeretében (Metaxas and

Meredith; 1993).

====

3

2

0 tan2m

WEfP rd δδδδεεεεεεεεππππ (22)

Mint ahogyan a fenti összefüggésben is látható, az elnyelődött teljesítmény nagyságát a

frekvenciától is függő anyagi jellemzők, a dielektromos tényező, illetve a veszteségi

tényező határozza meg, a hagyományos hőkeltési mechanizmusokban meghatározó fajhő,

vagy a hővezetési tényező, illetve egyéb anyagi tulajdonságok közül például, a sűrűség nem

szerepel. Ezek alapján tehát a felmelegítési folyamatok mennyiségi jellemzése tisztán

villamos paraméterekre is visszavezethető lenne, amely a folyamatszabályozás területén új

lehetőségeket teremtene. Azonban nem hagyható figyelmen kívül az a tény sem, hogy a

dielektromos paramétereket a frekvencián túl a mikrohullámot abszorbeáló médium

hőmérséklete is befolyásolja (Göllei et al., 2010).


____________________________________________________________________

21

A dielektromos szempontból veszteséges anyagok esetében az anyagban elnyelődő

mikrohullámú teljesítmény legnagyobb része az anyag felmelegítésére fordítódik. Az anyag

dielektromos, fizikai és hőtani jellemzőit, mint a sűrűség (ρ [kgm-3]) és a fajhő (cp [kJ (kg

K)-1]), figyelembe véve, a felmelegítés során a hőmérsékletemelkedési sebesség

∆

∆

τ

T

megadható a következő formában (Komarov et al., 2005):

====

∆∆∆∆

∆∆∆∆

s

K

c

EfT

p

r

ρρρρ

δδδδεεεεεεεεππππ

ττττ

2

0 tan2 (23)

A mikrohullámú sugárzást széleskörűen használják elsősorban olyan alkalmazásokban,

ahol gyors felmelegítésre van szükség. A hagyományos kondukciós és konvekciós

hőtranszporton alapuló hőkeltési eljárásokban a hőenergia a külső érintkezési felület felől a

belső rétegek felé halad. Ezzel szemben a mikrohullámú kezelések esetében, a behatolási

mélységen belül, a hőfejlődés az anyagon belül történik (Szabó et al., 1998a).

Poláris tulajdonságú komponenseket tartalmazó oldatok esetében, már az alkalmazott

mikrohullámú kutatások korai időszakában megfigyelték az ún. túlhevülési jelenséget is.

Ebben az esetben a mikrohullámú melegítéskor az oldat főtömegében mérhető forráspont

magasabb, mint a normál forrásponti hőmérséklet. Ennek magyarázata szintén a

mikrohullám térfogati felmelegítő hatásában rejlik, mivel a penetrációs mélységen belül a

hagyományos felmelegítéssel szemben ellentétes irányú, a folyadékfelszín felé irányuló,

hőmérsékletgradiens tapasztalható. Mivel a forrási gócpontok nagyobb valószínűséggel a

folyadék felszínén alakulnak ki, illetve figyelembe véve a felszínen kialakuló buborékokat

alkotó - a fázisátmenet során képződő - pára hőtranszportot lassító hatását, a mikrohullámú

energiaközléssel a rendszerbe bevitt energia a párolgó felület nagyobb ellenállása miatt a

folyadék főtömegében magasabb hőmérsékletet idéz elő (Baghurst and Whittaker, 1997).

Meg kell azonban azt a tényt is jegyezni, hogy a hagyományos hőközlés esetében a

fűtött felületen képződött, majd az egész folyadéktérfogaton át a felszín felé mozgó

buborékok keverő hatása a mikrohullámú kezelés esetében kisebb mértékű, amely szintén a

túlhevülés kialakulását segíti elő.


____________________________________________________________________

22

2.2 A mikrohullámú sugárzás alkalmazása és hatásai

Az alfejezetben a mikrohullámú energiaközlés néhány jellemző felhasználási

területéről származó eredményt foglaltam össze, külön tárgyalva a mikrohullámú sugárzás

specifikus hatásait a biológiai rendszerekre. A mikrohullámú iszap kezelések eddigi

eredményeit részletesebben, a következő alfejezetben tárgyalom.

2.2.1 A mikrohullám alkalmazási területei

A mikrohullámú sugárzás sajátságos, belső hőkeltési mechanizmusa nem csupán

laboratóriumi-, hanem ipari körülmények között is alkalmazható. Már az 1970-as évek

elején először félüzemi méretű kísérletekben, majd a ’80-as évektől Parallam® néven

McMillan és Bloedel által kifejlesztett és szabadalmaztatott eljárásban, ipari méretekben is

használták a mikrohullámú felmelegítéssel végzett polimer-fa laminálási technológiát. A

mikrohullámú sugárzást alkalmazó technológiának a hagyományos felmelegítéssel végzett

bevonáshoz és színezéshez képest a legfontosabb műveleti előnye a gyorsasága, a minőségi

paramétereket tekintve pedig a felület és a belső részek közötti – penetrációs mélységen

belüli – színezetbeni eltérés elkerülhetősége volt (Churchland, 1995).

Az üveggyártásban, az üveg szilárdságának növelése céljából végzett felületi ioncserén

alapuló gyártási eljárás során, összehasonlítási célzattal vizsgálták a mikrohullámú (MW)

és a hagyományos hőkeltési eljárás hatékonyságát. Megállapították, hogy azonos

hőmérsékletprofil alkalmazása esetén az ioncsere sebessége magasabb és az ionok

diffúziójában résztvevő réteg vastagsága nagyobb volt a MW eljárás esetében. Az

üveggyártás során továbbá igazolták, hogy az anyag amorf formájában a dielektromos

veszteségi tényező magasabb, mint kristályos állapotban. A kristályosodási magok

megjelenésével ugrásszerűen csökkenő veszteségi tényező következtében az anyag a

mikrohullám számára transzparenssé válik, az energia-abszorpció csökken, vagyis a

hőmérsékletfelfutási görbén töréspont mutatkozik. A hagyományos hőkezeléstől eltérően

tehát a MW eljárás esetében egy hőmérséklet-önszabályozó mechanizmus tapasztalható,

amely az anyag túlhevülését külső beavatkozás nélkül akadályozza meg (Clark et al., 2000).

Az elektromágneses sugárzáson alapuló hőkeltési eljárásokat a környezetvédelemben is

évtizedek óta hasznosítják. Az olajhomokból szelektív melegítéssel történő

bitumenkinyerést már az 1970-es években vizsgálták (Kawala and Atamanczuk, 1998). A

talajból történő kilevegőztetési eljárások, a talajok in-situ remediációja során, az illékony


____________________________________________________________________

23

vegyületek, mint például a policiklikus szénhidrogének (PAH) és a poliklórozott bifenilek

(PCB) eltávolítása, vagy a nehézfémek talajból történő kinyerése során a mikrohulámú

módszerek szintén előtérbe kerültek (Jones et al., 2002).

A poláris tulajdonságú vegyületek esetében a mikrohullámú sugárzás önmagában

alkalmas a hőkeltéssel járó kármentesítésre, apoláris vegyületek eltávolításakor a hőfejlődés

előidézésére mágneses tulajdonságú nanorészecskéket adagoltak (Holzwarth et al., 1998).

A kigőzölési eljárásoknál azonban a talajnedvesség is intenzíven elpárolog, így a

nedvességtartalom csökkenése a talaj mikrohullámú energiát abszorbeáló képességét

csökkenti, így a felmelegedés mértéke is folyamatosan csökken. Mivel azonban a

talajszerkezet és a talajerő megőrzése szempontjából a humuszanyagok megőrzése előnyös,

a talajszennyező poláros vegyületek szelektív, a többi talajalkotótól nagyobb mértékű

felmelegedése az eljárás egyik legfontosabb előnye.

Az elektronikai hulladékok esetében a manapság egyre magasabb árú színes- és

nemesfémek kinyerése során is már több mint két évtizede szabadalmaztatott a kétlépcsős

mikrohullámú eljárás, amelynek az első lépesében a műanyag részek leolvasztása és az

alacsonyabb olvadáspontú fémek (ón, alumínium) eltávolítása, a második lépésben egyes

szennyező komponensek megszilárdítása és a magasabb olvadáspontú fémek elválasztása

történik (Wicks and Schulcz, 1998). A szabadalmaztatott eljárást később továbbfejlesztették

kórházi veszélyes hulladékok és gumiabroncsok ártalmatlanítására, illetve

újrahasznosítására.

A többrétegű csomagolóanyagok megjelenésével azok lehetséges újrahasznosítási

eljárásainak fejlesztése is megkezdődött. A Ludlow-Palafox és Chase (2001) által

kifejlesztett eljárásban a csomagolási hulladékot oxigénmentes körülmények között, a

nagyobb mértékű energiaabszorpció céljából szénágyban, mikrohullámmal hevítik, így a

pirolízis során az alumínium nagy tisztaságban nyerhető vissza.

A gumiabroncsok újrahasznosítása során is vizsgálták a mikrohullámú hőkeltés

alkalmazhatóságát. Amennyiben a poláris tulajdonságú adalékot, mint például

kénvegyületeket, használtak a gumigyártási technológiában a vulkanizáláshoz, a

mikrohullámú sugárzás jó hatásfokkal alkalmazható a devulkanizálás során a C-C kötések

bontására, további depolimerizációs folyamatok lejátszódása nélkül. Ebben az esetben az


____________________________________________________________________

24

eljárás rentábilissá tehető a hagyományos őrléssel történő előkészítési módszerhez képest

(Adhikari et al., 2000).

A bányászati és kohászati technológiákban az aprítás és őrlés előkészítő műveleteként is

régóta vizsgálják a mikrohullámú sugárzás hatásfokát. A termikus előkészítési műveletek

esetében a hőközlést a kristályok rácsszerkezetének gyengítésére használják, amely

következtében az aprítási művelet energiaszükséglete csökkenthető. A kőzetet alkotó

ásványok eltérő dielektromos tulajdonságából következően azok mikrohullámú

energiaabszorpciója is különböző, továbbá az összetételtől függően a dielektromos

jellemzők hőmérsékletfüggésének trendje is eltérő (Lovas et al., 2010). Az egyes rétegek

eltérő felmelegedése mechanikai stresszhatásokat okoz és az ennek hatására létrejövő

mikrorepedések a feldolgozási technológia következő lépcsőjében, az aprítás során, a törési

munka szükségletet csökkentik.

A hagyományos hőközlési eljárásokhoz képest a mikrohullámú eljárás előnyei, hogy

nem szükséges a kezelt kőzet teljes tömegét felmelegíteni és a szelektív felmelegedés

következtében az energia nagyobb arányban fordítódik a kristály rácsszerkezetének

bontására, mint hőkeltésre, így nincs szükség magas hőmérséklet alkalmazására sem. Ezen

kívül a mikrohullámú módszer alkalmazásánál nincs szükség közvetítőközegre

(energiatranszport a hőtranszport helyett) és a kezelés elindítása és leállítása rövidebb időt

vesz igénybe, mint a klasszikus hőkezelésnél (felfűtési és lehűtési szakasz nagymértékben

lerövidíthető) (Haque, 1999). Az ásványok közül a szénalapú, fémoxid, szulfid és arzenid

alapúak magas, míg például a szilikát, karbonát és szulfát alapú ásványok alacsony

mikrohullámú energiaabszorpcióra képesek (Kingman et al., 1999).

A széntartalmú kőzetek feldolgozása során is sikeresen alkalmazták a mikrohullámú

hevítést. Az aprítási energiaszükséglet csökkentése érdekében alkalmazott hagyományos

termikus kezelésekkor a felmelegítés energiaszükséglete meghaladja az aprítási

energiaszükséglet csökkenését. Mivel a szén dielektromos veszteségi tényezője magas, a

mikrohullámú sugárzás hatására nagy behatolási mélység mellett gyorsan és magas

hőmérsékletre melegszik fel relatívan alacsony besugárzott teljesítmény mellett, amely

energiahasznosulási szempontból kedvező (Marland et al., 2000). Ebben az esetben a

további feldolgozás során alkalmazott aprítás energiaszükséglet csökkenése már

meghaladja a mikrohullámmal végzett termikus kezelés energiaigényét.


____________________________________________________________________

25

A kőszén mikrohullámú kezelésénél a nagymértékű felmelegedés következtében a

kőzetben lévő víztartalom helyben fázisváltozást szenved és a keletkező pára

nyomásnövekedése tovább fokozza a kőzetben ébredő mechanikai feszültségeket, amely az

aprítási teljesítményigényt méginkább csökkenti. A vasérc feldolgozása esetében az

előkezelésként alkalmazott mikrohullámú sugárzást a pirit nagyobb mértékben nyeli el,

mint a kőszén és a pirit a rövid idő alatt lebomlik, amely gyors kéntelenítést tesz lehetővé

(Weng and Wang, 1992).

A szén magas mikrohullámú energiaabszorpciós tulajdonsága az aktív szén előállítás és

regenerálás során is jól felhasználható. Az aktív szén előállításakor elsősorban a

hagyományos hőkeltést alkalmazó pirolízishez képes a nagymértékben lerövidülő

folyamatidő az, amely egyrészt a kapacitást növeli, másrészt a költségeket csökkenti (Vass

et al., 2005). Ez nemcsak a rövidebb melegítési időben és a kezelt réteg egyenletesebb

átmelegedésében jelentkezik, hanem ennek következtében a lényegesen alacsonyabb inert

gáz szükségletben is (Menendez et al., 1999). Meg kell azt is jegyezni, hogy a

mikrohullámú hőkeltő berendezések mérete is jelentősen kisebb, mint a hagyományos

hőkezelő berendezéseké, amely üzemi körülmények között a technológia területigényét is

csökkenti. Mivel a mikrohullámú hőkeltésnél közvetítő közeg sem szükséges, így például a

hevítést alkalmazó műveletekben keletkező utókezelendő (hűtés, tisztítás stb.) gázok

térfogata is kisebb.

Az aktív szén töltetek újrahasznosításánál már a különböző hevítési módszerekkel

történő előállítás részletes, összehasonlító vizsgálatait megelőzően is tapasztalták, hogy a

mikrohullámú sugárzással történő regenerálás deszoprciós hatékonyságát és energetikai

paramétereit tekintve is, kedvezőbb, mint a hagyományos hevítés. Ennek oka lehet az

adszorbeálódott vegyület magas dielektromos vesztesége. A gáztisztítási eljárásokban

használt granulált aktív szén szűrők nitrogén-oxidokat (NOx) megkötő felülete például

nagyobb arányban abszorbeálja a mikrohullámú energiát, így a közölt energia nagyobb

része fordítódik ténylegesen a telített rétegek hevítésére. A kezelt aktív szén felületének

adszorpciós kapacitása emellett nem romlik, illetve a fajlagos felület egyes esetekben

növekszik (Kong and Cha, 1996).

Az illékony szerves vegyületekkel (VOC) szennyezett aktív szén mikrohullámú

regenerálása esetében azonos tapasztalatokra jutottak, mint a nitrogén-oxid szennyezők

deszorpciója során (Coss and Cha, 2000). A polimer adszorbensek a mikrohullámú


____________________________________________________________________

26

sugárzást áteresztik, így az energia elnyelődés gyakorlatilag egészében az adszorbeálódott

szennyezőanyag rétegben valósul meg. A mikrohullámú regenerálás az aktív szén esetében

kialakuló 1400-1600ºC-al szemben a polimer adszorbenseknél kb. 250-350 ºC

hőmérséklettartományban történik (Oppermann and Brown, 1999).

A mikrohullámú sugárzás oxidációs eljárásokkal történő kombinációjával kapcsolatban

is több területen folynak kutatások. A hidrogén-peroxidot alkalmazó víztisztítási eljárások

esetében az egyik legnagyobb hátrányként emelik ki, hogy a folyamat jó hatásfokkal csak

savas kémhatású reakcióközegben hajtható végre. Azonban kálium-perszulfát oxidálószert

mikrohullámú sugárzással együtt alkalmazva a nehezen lebomló perfluoro-oktánsav, az

insecticid hatású dimetoát származékok és az azoszínezékek lebontására a természetes

vizek semleges közeli pH-ján is jó hatásfokkal volt alkalmazható a peroxidos módszerrel

összehasonlítva (Lee et al., 2009). A mikrohullámmal intenzifikált Fenton reakció

hatékonyságának elemzése során megállapították, hogy a hagyományos eljárásokhoz képest

a mikrohullámú hőkeltés tömörebb pelyheket eredményezett, ami a további szeparációs

műveleteket (ülepítés, membránszűrés) megkönnyítette (Yang et al., 2009).

A mikrohullám a katalitikus folyamatokban is jó hatásfokkal alkalmazható például

fenol, klórozott szénhidrogének gyógyszermaradványok eltávolítására. A platina vagy a réz

alapvetően reflektáló tulajdonságú az elektromágneses térben, azonban ha a fémkatalizátor

részecskék átmérője kisebb, mint a penetrációs mélység az adott frekvencián, a

mikrohullám a részecskehalmazon keresztülhatol. Ezt a jelenséget használják ki az aktív

szén részecskék felületére felvitt fém-katalizátorok esetében is: a szén az igen gyors

felhevülése révén biztosítja az elegendően magas hőmérsékletet a katalizátor számára.

Ezekben az aljárásokban az aktív szén, illetve a granulált aktív szén egyaránt

adszorbensként és (mikrohullámú sugárzás-) abszorbensként is funkcionál (Bo et al., 2008).

A Magtrieve™ króm-oxid katalizátort kifejezetten a mikrohullámú térben, alkoholok és

szénhidrogének heterogén katalízissel történő oxidációs eljárásaira fejlesztették ki.

Alkalmazásával nagyon rövid idő alatt lehet a reakcióelegyet a kívánt hőmérsékletre

felmelegíteni, és az energiahasznosulási mutatók kedvezőbbek, mert az elegy

átlaghőmérsékletéhez képest a poláris tulajdonságú katalizátor magasabb hőmérsékletre

melegszik (Bogdal and Loupy, 2008). Titán-dioxid katalizátor esetében kimutatták, hogy a

mikrohullámú sugárzás hatására, a hagyományos felmelegítéstől nagyobb mértékű hidoxil-


____________________________________________________________________

27

gyök képződésen túl, a katalizátor felülete hidrofóbbá vált, ami az eltávolítandó anyag és a

katalizátor összekapcsolódását segíti elő (Remya and Lin, 2011).

2.2.2 A mikrohullámú sugárzás hatásai a biológiai rendszerekre

A mikrohullámú sugárzás biológiai rendszerekre gyakorolt hatásai talán – ha nem is a

legtöbbet kutatott –a legellentmondásosabb területe a kutatásoknak. Az élő rendszerek

tekintetében az egyik kiemelt téma a mikroorganizmusok szaporodására gyakorolt hatás

vizsgálata. A mikroorganizmusok egyes törzsei a rövid osztódási ciklusuk, pH- és

hőmérsékletérzékenységük miatt jó tesztkörnyezetet biztosítanak a mikrohullámú sugárzás

termikus és nem-termikus hatásainak vizsgálatára.

A rendelkezésre álló, több évtizedes kutatási eredmények alapján azonban

ellentmondások tapasztalhatóak annak tekintetében, hogy a hagyományos és egyéb

sugárzásos hőkeltésen alapuló termikus eljárásokhoz képest a mikrohullámú sugárzás

rendelkezik-e egyértelműen speciális hatással.

Az élő mikroorganizmusok esetében a kutatások megállapították, hogy a hagyományos

hőkezelés esetében befolyásoló tényezőkön – hőmérséklet, hőkezelési idő, nyomás – kívül

egyéb paraméterek is hatással bírnak a mikróbák pusztulására, illetve a szaporodásuk

gátlására. Ilyen tényezők például a sugárzás frekvenciája, a mikrohullámú teljesítmény,

vagy a kezelt rendszerek dielektromos szempontból értelmezett komplexitása (Fujikawa et

al., 1992; Banik et al., 2003; Shamis et al., 2012a). A mikrohullámú energiaközlés továbbá

alkalmas a mikróbaszám csökkentésen kívül a nemkívánatos enzimes folyamatok gátlására

is, rövid műveleti idővel (Szabó et al., 1998b). Mivel a mikroorganizmusokra gyakorolt

hatás vizsgálata az esetek döntő többségében vizes fázisban, vagy nagy víztartalom mellett

történt, és mivel a poláros tulajdonságú vízmolekula jól abszorbeálja az elektromágneses

spektrum mikrohullámú tartományát és ezáltal igen rövid idő alatt gyors felmelegedés

tapasztalható, egyes szerzők az eltérő mikróbapusztulási dinamikát a hagyományos

hőkezeléstől eltérő felmelegedési sebességgel és a hőmérsékletmező eltérő

homogenitásával magyarázzák (Kozempel et al., 2000). A felmelegedési sebességet a

rendszerben, illetve az anyagban lévő víz abszolút mennyiségén kívül annak kötési állapota

(szabad, vagy kötött víz) is befolyásolja.


____________________________________________________________________

28

Más szerzők bizonyítottnak látták a mikrohullámú sugárzás nem-termikus hatását a

csíraszám-csökkentési eljárásokban. Shamis et al. (2009) Escheria coli esetében a

baktériumra jellemzően megadott minimális pusztulási hőmérséklet (45˚C) alatti, 18 GHz

frekvenciájú mikrohullámú kezelések során már csíraszám csökkenést tapasztaltak, amely a

nem-termikus hatásmechanizmusok létezését támasztja alá. A sejtekben bekövetkező

változások műszeres vizsgálati módszereinek fejlődésével lehetőség nyílt a mikrohullámú

sugárzás hatásának részletesebb vizsgálatára is. Lézer scanning mikroszkópos

vizsgálatokkal kimutatták, hogy mikrohullámú kezelések során az élő sejtek sejthártyáiban

pórusok képződnek, és ez a sejtmembrán anyagtranszportjára hatással vannak, amely

morfológiai változás a sejt ideiglenes dehidratációjához és a sejten belüli nyomás

megváltozása révén a sejt alakjának megváltozásához is vezet. A vizsgálati eredmények

alapján továbbá feltételezték, hogy a vizes közegben lévő sejtek szaporodásának és

anyagcseréjének megváltozása a vízmolekulák jó mikrohullámú abszorpciója

következtében létrejövő elektrokinetikus mechanizmusokra és ozmotikus viszonyok

megváltozására vezethető vissza (Shamis et al., 2011).

Az enzimes folyamatoknak, illetve ehhez kapcsolódóan a fehérjék térszerkezetének a

változó nagyfrekvenciás térben történő megváltozását is több kutatócsoport vizsgálta. A

leggyakrabban alkalmazott mikrohullámú frekvencián (2,45 GHz), kis hőmérséklet-

emelkedést (<0,5˚C) elérve, a besugárzott β-laktoglobulinban a fehérjeszerkezet

konformációs megváltozását figyelték meg, amely „hideg” denaturációt okozott, és amely a

hagyományos felmelegítéssel kivitelezett, azonos végleges átlagos hőmérséklet esetén nem

volt tapasztalható (Bohr & Bohr, 2000a). A kutatók a hatásmechanizmust az alkalmazott

elektromágneses sugárzás frekvenciájának, és a fehérje saját rezonancia frekvenciájának (2

GHz) egybeesésével magyarázták (Bohr & Bohr, 2000b). Ebben az esetben természetesen

figyelembe kell venni, hogy a besugárzási frekvencia (2,45 GHz) a kezelt, dielektromos

szempontból veszteséges rendszerben csillapodik, azaz a frekvenciája csökken, vagyis a

mikrohullámú magnetron frekvenciáján kívül, a kezelt mátrix dielektromos tulajdonságai is

befolyásolják a két frekvenciatartomány szükségesen elérendő azonosságát.

Az enzimeket tartalmazó folyékony halmazállapotú rendszerek mikrohullámú kezelése

esetében az enzimek koncentrációja kevésbé, azonban az egyéb komponensek például a

különböző sók jelenléte nagyobb mértékben meghatározó az aktivitás szempontjából. Az

egyes enzimek esetében a hősokk hatására létrejövő inaktiválódása, illetve bizonyos


____________________________________________________________________

29

hőmérséklettartományban tapasztalható aktivitás növekedés szempontjából az egyéb

komponensek fajtája és koncentrációja eltérő hatású lehet. A termostabil enzimek

nagyfrekvenciás elektromágneses térben történő kezelésének vizsgálata során Porcelli et al.

(1997) már egy korai munkájában rámutatott, hogy a szubsztrátként, illetve a folyamat

optimális pH tartományának biztosítására szolgáló kálium-dihidrogén foszfát adagolása

egyes esetekben csökkenti, a kálium-klorid növeli az inaktiváció mértékét. A jelenség

magyarázata feltehetőleg a szubsztrát enzimhez kötődésekor stabilizálódó térszerkezetben

keresendő.

A citrát-szintáz enzim működésének és aktivitásának vizsgálata során George et al.

(2008) megállapították, hogy a mikrohullámmal azonos hőmérsékletre melegített elegy

esetén az enzim-fehérje kötési tulajdonságok kedvezőbbek voltak, mint hagyományos

felmelegítés esetén, amely alapján bizonyítottnak látták a mikrohullám nem-termikus

hatásmechanizmusainak létezését. Az elektromágneses tér nem-termikus hatásaiból eredő

enzimaktivitás növekedésről számolnak be Shamis et al. (2012b) citokróm-oxidáz és laktát-

dehidrogenáz, illetve Lakatos és mtsai. (2009) celluláz enzim esetében. A hagyományos

(konvektív, konduktív) hőközlési eljárások és a mikrohullámú hőkeltés összehasonlító

vizsgálatai során azonban figyelembe kell venni, hogy azonos véghőmérséklet értékek

elérése ellenére a felmelegítési sebesség és a hőmérséklet homogenitása még kevertetett-,

illetve átáramlásos rendszerek esetében is eltérő. A hőmérséklet profilok azonosságának

biztosítását továbbá a mikrohullámú térben való pontos hőmérsékletmérés problémája is

nehezíti.

2.2.3 A mikrohullámú sugárzás nem-termikus hatásai

A mikrohullámú sugárzás ún. nem-termikus, vagy specifikus hatásainak léte és

létezésük bizonyítása az egyik legvitatottabb területe a mikrohullámú kutatásoknak. A

mikrohullámnak a kezelt anyagra gyakorolt hatásainak megítélésénél fontos tényező a

vizsgálat során alkalmazott teljesítmény, vagy intenzitás. Nagy energiájú kezelések esetén a

dielektrikumok rövid idő alatt felmelegednek és figyelembe véve a mikrohullám speciális

hőkeltési mechanizmusát, az elektromágneses tér inhomogentásait, a dielektromos

tulajdonságok nem-lineáris hőmérsékletfüggését és ezeknek a hőtani paraméterekkel nem

minden esetben egyértelmű összefüggéseit a termikus és a nem-termikus hatások

szétválasztása nehézkes (Remya and Lin, 2011).


____________________________________________________________________

30

A hagyományos hőközlési módszerekkel történő összehasonlítás nehézségét adja

továbbá, hogy azonos felmelegedési sebesség azonos energiaáram biztosítása mellett,

valamint a stacionaritás (nemcsak pusztán hőtani) értelmezése és definiálása a

mikrohullámú energiaközléses eljárásoknál nehézkes. További technikai problémákat vet

fel a mikrohullámú térben való hőmérsékletmérés. Ha manapság már rendelkezésre is

állnak olyan módszerek, amelyek lehetővé teszik a mikrohullámú térben történő

alkalmazást és a real-time adatfeldolgozási eljárást, a termikus egyensúly elérése a

nagyfrekvenciás változó térben nehézkes és a szenzorok legtöbb esetben az

elektromágneses tér perturbációját okozzák.

A másik lényeges tényező, hogy a vizsgálatokat milyen tulajdonságú rendszerben

végzik. Az apoláris vegyületek mikrohullámú energiaabszorpciója a poláris vegyületekhez

képest sok esetben elhanyagolható, azonban nem nulla. A transzparens anyagok egyedül,

vagy heterogén rendszerek alkotóiként alapvetően energiát nem nyelnek el, vagyis

veszteségmentesek, de heterogén rendszerben az elnyelők felmelegedését követően az

egyéb hőátviteli mechanizmusok révén azok is felmelegednek, a növekvő hőmérséklet

pedig legtöbbször a mikrohullámú energiaabszorpciójuk hatásfokát növeli.

A nem-termikus hatások meglétét egyes kutatások csak oldószert nem tartalmazó

rendszerekben, illetve viszkózus vagy kétfázisú rendszerekben látják igazoltnak (Herrero et

al., 2008), míg más vizsgálatok során oldatok és szuszpenziók esetében is közöltek a

hagyományos hőkeltéstől eltérő, „mikrohullám-specifikus” hatásokat. Folyékony

élelmiszerek folyamatos üzemű pasztőrözése során a hagyományos termikus és a

mikrohullámú módszer mikróbapusztító hatásában lényeges eltérést nem tapasztaltak, de a

kezelt tej, illetve narancslé komponenseinek kémiai változásait kolorimetriás mérésekkel

alátámasztották (Géczi et al., 2013).

A szerves-kémiai szintéziseknél sok esetben a mikrohullámú energiaközlést

előnyösebbnek találták a képződött vegyületek mennyisége és/vagy minősége

szempontjából. Ciklo-addíciós reakciók esetében megállapították, hogy a mikrohullám

alkalmazásával, különösen apoláris oldószerekben, a reakciósebesség magasabb, mint a

klasszikus hőntartási módszer esetében (de la Hoz, 2005).


____________________________________________________________________

31

A mikrohullám egyedi hőkeltési mechanizmusa révén az energiát abszorbeáló

molekulák a nagyfrekvenciával változó elektromágneses térben intenzíven melegednek, a

kialakuló pillanatnyi hőmérsékletmező térben nem homogén, és ez a felmelegés

következtében megváltozó dielektromos tulajdonságok időbeni változása is követi, vagyis

ún. „hot-spot”-ok jönnek létre. A rendszer egyes pontjainak pillanatnyi hőmérséklete nem

mérhető, mivel ez a teljesítménytől, az anyagban kialakuló térerősségtől függ, amelyet

meghatároznak a – hőmérséklettől és anyagi tulajdonságoktól, összetételtől és

halmazállapottól függő – dielektromos anyagi jellemzők. A „hot-spot”-okban kialakuló

becsült hőmérséklet figyelembevételével korrigált, későbbi modellek azonban a különböző

melegítési eljárásokat alkalmazó reakciók kinetikájában nem mutattak különbséget, illetve

a különbség a többkomponensű rendszerek egyes összetevőinek eltérő felmelegedésének

következménye volt (Constable et al., 1992; Hajek, 1997). Meg kell azonban jegyezni azt

is, hogy a „hot-spot”-okban a főtömegnél magasabb – de méréssel nehezen meghatározható

– hőmérséklet lokális hőmérsékletgradiens kialakulásához vezet, amely befolyásolja

például a hőmérsékletfüggő katalitikus folyamatok sebességét, sőt egyes esetekben a

reakcióutakat is.

Egyes elméletek szerint a gyorsan változó elektromágneses tér polarizálja a

molekulákat, amelyek mobilitása megnövekszik, továbbá forgásuk következtében nemcsak

felmelegednek, hanem találkozási-kapcsolódási valószínűségük is nagyobb, ezért az egyes

reakciók sebessége fokozódik, az aktivációs energia pedig csökken (Miklavc, 2001).

Aktív szén mikrohullámú kezelésekor, a hagyományos hőközléshez képest tapasztalt

magasabb adszorpciós képességet is a hőmérsékleti hot-spotok létrejöttével hozták

összefüggésbe. A feltételezett reakciómechanizmus szerint a delokalizált elektronok

kinetikai energiája a nagyfrekvenciás mikrohullámú térben olyan mértékben növekszik,

amely hatására az elektronok az anyagból a környező levegőbe lépnek ki, azt ionizálják.

Ennek következtében a hot-spotokban plazma-állapot jön létre, amely szinte teljes energia

abszorpciót okoz, így a lokális hőmérséklet igen rövid besugárzási időt követően 1000˚C

fölé emelkedik (Menendez et al., 2008). Feltételezve a mechanizmus helyességét, a

kezdetben nem-termikus hatás következtében az anyagon belül intenzív hőtranszport indul

meg.


____________________________________________________________________

32

A mikrohullámú sugárzás hatással van a szerves kémiai reakciókban létrejövő

vegyületek térizomériájára is, mivel befolyásolja az egyes reakcióutak valószínűségét (Hoz

et al., 2004). Az elektromágneses térnek a fotokémiai reakciókra gyakorolt hatása is igazolt,

mivel a gyökképződési mechanizmusokra, illetve ezek sebességére egyaránt hatással van,

és segítségével a gyökpárok rekombinálódása befolyásolható, amely elektron spin

rezonancia változás alapján, nyomon követhető (de la Hoz et al., 2005).

Kvantumkémiai modellezés és a különböző szerveskémiai szintézisek eredményeinek

figyelembevételével a következő fontosabb megállapítások születtek a mikrohullám

termikus és nem-termikus hatásaira vonatkozóan (Aklhori et al. 2002; Loupy et al., 2004):

• Gázfázisú reakciókban az elektromágneses tér dipólus indukációja a mikrohullámú

energia elnyelődését fokozza.

• Folyadékok esetében a reakciókomplex saját rezgési frekvencájának és az

elektromágneses tér frekvencia tartományának egybeesésekor a reakcióutak és a

térizoméria eltérhetnek a hagyományos eljárások esetében tapasztaltaktól.

• A rendszerekben lévő oldószerek tulajdonságai, illetve ezek változásai

(dipólusmomentum, polaritás stb) elfedik az esetlegesen létező nem-termikus

hatásokat. A kémiai reakciókra gyakorolt hatások tehát oldószermentes

körülmények között vizsgálhatóak.

• A mikrohullámú tér a molekulák esetében elősegíti a polarizálódást és a poláris

köztestermékek stabilitásának növekedését okozza.


____________________________________________________________________

33

2.3 Mikrohullámú technika alkalmazása a szennyvíziszap-kezelésben

A szennyvíziszapok mikrohullámú kezelésére vonatkozó kutatások viszonylag rövid,

körülbelül egy évtizedes múlttal rendelkeznek. A fejezetben röviden összefoglalom az

iszapkezelés lehetséges eljárásait, majd a mikrohullámú iszapkezelések eddigi eredményeit

részletsebben elemzem.

2.3.1 Szennyvíziszapok és kezelési lehetőségeik

A kommunális és ipari szennyvíztisztítási eljárásokban egyaránt nagy mennyiségű és

legtöbbször magas víztartalmú iszap keletkezik. A szennyvíziszap összefoglaló név alatt

egyaránt értik az mechanikai szennyvízkezelési eljárásokban keletkező iszapot, és a

biológiai szennyvíztisztítás, vagy a fizikai-kémiai szennyvíztisztítás során keletkező iszapot

is. A szennyvíziszap fogalom ezért eléggé széleskörűen értelmezett.

Az 50/2001 (IV.3.) Kormányrendeletben megfogalmazott definíció alapján az iszap a

kommunális szennyvíz tisztítási eljárásaiban képződő, valamint az az ehhez hasonló

összetételű szennyvizeket kezelő szennyvíztisztító létesítményekből és berendezésekből

származó iszap és a településeken keletkező folyékony halmazállapotú hulladék. Ezen

csoporton belül a biológiai-, kémiai-, illetve termikus módszerekkel, vagy más „megfelelő”

eljárással (például komposztálás, vagy anaerob fermentáció) - továbbá a települési

folyékony hulladékok tekintetében tartós (minimum 6 hónap) tárolásával, vagy kémiai

módszerekkel - kezelt iszapok nevezhetőek szennyvíziszapnak, ha a rendeletben rögzített

mikrobiológiai- és szennyezőanyag tartalomra vonatkozó előírásoknak megfelelnek.

Hétköznapi, vagy a tudományos közéletben használatos definíciók ennél tágabb

értelmezésűek. A szennyvíziszap a szennyvízkezelés során kiválasztott nagy víztartalmú

hulladék (Fodor, 2001). A tudományos közleményekben egy szintén az előzőektől eltérő

aspektusok alapján megfogalmazatott definícióval találkozunk, miszerint a szennyvíziszap

a szennyvízkezelési eljárásokban keletkező minden „félig szilárd” halmazállapotú

maradvány (International Water Associacion (IWA) –Nemzetközi Víz Szövetség- ’Water

wiki’ tudástárának definíciója).

A szennyvíziszapok, a szennyvizek keletkezésének helye és ezek összetétele, valamint a

szennyvízkezelési technológiák és az iszap-előkezelési eljárások sokfélesége miatt eltérő

összetétellel rendelkeznek, amely az átmeneti tárolás, vagy a deponálás során lejátszódó


____________________________________________________________________

34

biokémiai folyamatok miatt tovább változhat. A szennyvíziszapokat legtöbbször a hasznos,

vagy hasznosítható komponenscsoport, illetve az ún. korlátozó összetevők csoportja alapján

szokták megkülönböztetni (Barótfi, 2000).

1. táblázat. A szennyvíziszapok általános összetétele

pórusvíz

kapilláris-víz

iszappelyhekbe zárt víz Víz

kémiailag kötött víz

finom és durva homok Ásványi részecskék

egyéb részecskék

Szerves anyagok széntartalmú vegyületek

nitrogén

foszfor Tápanyagok

kálium

Hasznos(ítható) anyagok

Nyomelemek fémes elemek, szerves anyagok

nehézfémek (pl.: Cd; Pd; Cu; Hg) Toxikus anyagok

egyéb toxikus anyagok (pl.: As; Mo)

paraziták

baktériumok

Korlátozó összetevők

Patogének

vírusok

Az iszapok általános összetételének figyelembevételével megállapítható, hogy az

összes víztartalom 90%-át kitevő pórusvíz és a kapilláris-víz egyszerűbb mechanikus és

termikus elválasztási módszereket alkalmazva eltávolítható. Az iszapokban lévő

víztartalom fiziko-kémiai állapotát a többi összetevő is meghatározza, ami a további sűrítési

és víztelenítési eljárások hatásfokát is befolyásolja. A csoportosítás viszonylagos, mivel

például a kommunális iszapok esetén korlátozónak tekintett nehézfémek egy ipari eredetű

iszap esetében hasznosíthatóvá tehetők.

Az iszapot alkotó részecskék szemcsemérete és szemcseeloszlása is függ az iszap

jellegétől. Az előülepítőkből származó friss iszap szárazanyag tartalmának 9-33%-át a 10-

17 mm közötti, 5-20%-át a 1-10 mm-es, és 50-88%-át az 1 mm-nél kisebb részecskék

teszik ki. Az eleven iszapban ezzel szemben az 1 mm-nél kisebb méretű részecskék aránya

eléri a 98%-ot is. A kirothasztott iszap esetében az 1 mm-nél kisebb részecskék aránya

körülbelül 85% (Vermes, 2005).


____________________________________________________________________

35

Az ipari, és ezen belül az élelmiszeripari szennyvíziszapok esetében nem állnak

rendelkezésre olyan általános összetételi adatok, mint a kommunális szennyvíziszapok

esetében. Ennek oka egyrészt a szennyvizet produkáló technológiák sokfélesége, a

szennyvízkibocsátás mennyiségi és minőségi fluktuációja, az eltérő gyűjtési- és átmeneti

tárolási rendszerek felépítése és működtetési gyakorlata, továbbá maga a szennyvíztisztítási

technológia (nincs, mechanikai, kémiai, vagy biológiai tisztítás, vagy ezek kombinációi) és

ennek hatásfoka, illetve az iszapkezelési eljárások típusa (sűrítés, víztelenítés, kémiai

kondicionálás, termikus kondicionálás) és ezek hatékonysága.

A feldolgozott alapanyagokat tekintve, mivel ezek a szennyvíz és ezáltal az iszap

összetételét is meghatározzák, az élelmiszeripari technológiákból származó iszapok

növényi nyersanyagok esetében magas szénhidrát, állati eredetű alapanyagok esetén magas

fehérjetartalommal, és emellett számottevő zsírtartalommal rendelkeznek. Az egyes

alapanyagcsoportokat felépítő elemek (szén, hidrogén) számítható elméleti biogázkihozatali

mutatói azonban a valós mutatókat jelentősen meghaladják.

Ennek oka egyrészről a biológiai lebontás szempontjából nem optimális elem összetétel,

az illékony és könnyen bomló komponensek tárolás és kezelés közbeni elvesztése, a

biokémai folyaamtok közben az iszap pH-jának csökkenése. A szervesanyagok

hasznosulását szintén befolyásolja az iparágra jellemző biológiai és biokémiai folyamatokat

gátló vagy megváltoztató adalék- és segédanyagok (fertőtlenítőszerek, detergensek,

tartósítószerek) jelenléte.

Mindezen okokból kifolyólag az élelmiszeripari anyagok esetében bizonyított, hogy

hatékony anaerob fermentációs hasznosítás csak megfelelő előkezeléseket követően

lehetséges (Iacovidou et al., 2012). A húsfeldogozási folyamatok szennyvíz, valamint az

ebből fázisszeparálással keletkező iszap főbb komponenseinek jó biológiai lebonthatósága

ellenére, a magas KOI-ban mért szervesanyagtartalma mellett a vártnál alacsonyabb,

valóban lebomló – BOI-egységben mérhető – szervesanyag hányaddal rendelkezik

(Bohdziewicz and Sroka, 2006; de Sena et al., 2008).

A kommunális iszapok esetében a további aerob és anaerob folyamtokban való

hasznosítást (komposztálás, illetve biogáz fermentáció) az optimálisnál (20-30:1)

alacsonyabb C:N arány nehezíti, ez az élelmiszeripari szennyvíziszapok, elsősorban az

állati eredetű nyersanyagokat feldolgozó iparágak (hús-, baromfi- és tejipar) esetében

kevésbé okoz problémát (Kim et al., 2003). Azonban az élelmiszeripari eredetű iszapoknál


____________________________________________________________________

36

meghatározó a rothasztás, vagy egyéb biológiai hasznosítás hatékonysága szempontjából a

magas fehérjetartalom következtében magas az extracelluláris polimer szerkezeti mátrixot

képző anyagok (EPS) aránya, valamint a hidrolízis folyamatának a lebontási időre, illetve

ütemre gyakorolt jelentős hatása (Eskicioglu et al., 2008; Mottet et al., 2009).

Az élelmiszeripari szennyvizek és szennyvíziszapok összetételét tekintve kiemelhető

továbbá a kommunális iszapoktól eltérő, magasabb kation koncentráció. A kationok

jelenléte a mikrobiális folyamatokban, a mikróbák szaporodásában meghatározó, azonban a

túl magas koncentrációjuk, a kedvezőtlen ozmotikus körülmények kialakulása miatt, már az

anaerob lebontási folyamatokban kedvezőtlennek tekinthető. A hosszú szénláncú zsírsavak

és az ammónia, amelyek aránya a húsipari szennyvíziszapokban magas, az elméleti magas

metánkihozatali mutatók mellett, az anaerob fermentációban inhibiáló hatásúak lehetnek

(Chen et al., 2008). Az élelmiszeripari feldolgozási technológiákban mosásra, illetve

fertőtlenítésre használt detergensek (anionos és nem ionos, illetve kationos) a

szennyvíziszapba, majd az iszaprothasztókba kerülve az üzemeltetési problémákhoz vezető

habképződési hajlamot növelik (Ganidi et al., 2009).

Az iszapkezelési eljárások az azokat felépítő műveletek és a használt berendezések

alapján a következő csoportokba oszthatóak:

� Sűrítés

• Gravitációs sűrítés

• Flotációs sűrítés

• Dinamikus sűrítés (vibráció, centrifuga)

• Sűrítés szűréssel

� Kondicionálás

•••• Elutráció (iszapmosás)

•••• Termikus kondicionálás (160-220˚C, több lépcsőben)

•••• Pasztőrözés (60-80˚C)

•••• Biokémiai kondicionálás

•••• Kémiai kondicionálás (pl.: polielektrolit, vas- és aluminium klorid)

� Fertőtlenítés

•••• Klóros oxidáció

•••• Hőkezelés

•••• Meszes kezelés

•••• Besugárzás, ultrahang


____________________________________________________________________

37

� Iszapvíztelenítés (kondicionált iszap)

•••• Természetes (szikkasztó ágy és tavak, szoláris szárítás)

•••• Mesterséges víztelenítés

- Dinamikus (centrifuga, szeparátor)

- Statikus (szalagszűrők, kamrás szűrők)

- Szívóerő alkalmazása (vákuum szűrés)

- Kombinált eljárások

� Szárítás (85-400˚C)

•••• Szalagos szárító

•••• Füstgáz-szárító

•••• Etage kemence

•••• Forgó csőkemence

� Égetés

•••• Önálló égetés pót-tüzelőanyaggal

•••• Települési hulladékkal együttégetés

•••• Ipari hulladékkal történő együttégetés

� Pirolízis

� Komposztálás

� Anaerob stabilizálás biogáz-fermentációval

� Deponálás

A szennyvíziszap kezelési eljárások többségében a nedvességtartalom csökkentését

végzik, elsősorban térfogat-csökkentési célzattal. A szennyvíziszap víztelenítése, a víz

különböző fiziko-kémiai állapotai miatt, sok esetben nehézkes, a kötött víztartalom egy

részét az önállóan alkalmazott hagyományos víztelenítési eljárásokkal nem lehet

eltávolítani. A magasabb szárazanyag tartalom elérése érdekében különböző előkezelési

eljárásokat alkalmaznak, amelyek fő célja az iszap szerkezetének megváltoztatása. Az

anaerob fermentáció, illetve az egyéb energetikai hasznosítás esetén ki kell emelni, hogy

ezek alkalmazásával a szennyvíztisztító telepek kilépnek a csupán szennyezőanyag

tisztításra koncentráló, ún. „end-of-pipe” technológiák közül. Az iszappelyhek

dezintegrálódásával, illetve a baktériumok sejtfalának sérülésével a sejtnedv kiszabadul,

amely egyrészt a nedvességtartalom eltávolítását könnyíti meg, másrészt a biológiai

ártalmatlanítási és egyéb iszapkezelési eljárásokban a nitrogén- és foszfor így


____________________________________________________________________

38

hasznosíthatóvá válik. A baktériumok sejtfalának sérülése a patogén mikroorganizmusok

elpusztítása szempontjából is meghatározó.

Az iszap előkezelési eljárások a következő csoportokba oszthatóak (Kepp et al., 2000;

Müller, 2001)

• Termikus előkezelések: az ellenállóbb fehérjefrakciók lebontására, általában 60°C

- 200°C hőmérséklettartományban.

• Kémiai előkezelések: sav, illetve lúg adagolással az elő-hidrolízis elősegítésére.

• Nagyhatékonyságú oxidációs eljárások (AOP’s): egyes iszap-komponensek, vagy

a sejtfalak oxidációja és átalakítása.

• Mechanikai előkezelések: homogenizálók, ultrahangos, vagy egyéb

aprítóberendezések, amelyekkel a sejtfalak integritása csökkenthető.

• Hőelvonás-fagyasztás/felengedtetés: a fagyasztás alatt a sejtnedvben kialakuló

jégkristályok a sejtfalat károsítják, ezért a szabad víztartalom aránya növekszik,

a sejtnedv szubsztrátként felhasználható lesz a biológiai kezelési eljárásokban.

• Biológiai/enzimes eljárások: a sejtfalnak vagy annak egyes komponenseinek

lebontása a mikroorganizmusok saját enzimeinek, vagy hozzáadott

enzimek/mikroorganizmusok alkalmazásával.

• Kombinált eljárások: az előző módszerek együttes, vagy egymást követő

alkalmazása, például termokémiai eljárások, lúgos/savas termikus hidrolízis.

A termikus kezelések iszapszerkezetre gyakorolt – a további hasznosítás szempontjából

előnyös – hatásait már több évtizede bizonyították. Brooks (1970) magas hőmérsékleten

végrehajtott (160°C-ot meghaladó) kommunális iszap kezelés után a szerves anyagok

vízoldható fázisba kerülését figyelte meg, amely a vízteleníthetőség mértékében és a

biogázhozam tekintetében is növekedést okozott. A magasabb hőmérséklet nagyobb

mértékű hidrolízist eredményez, azonban már Fisher et al. (1971) és Haug et al. (1978) az

iszapkezelés kutatásának egyik korai időszakából származó munkájukban is rámutattak,

hogy a túl magas hőmérséklet a lebontásnak ellenálló szervesanyag frakció arányának

növekedését okozza. A további anaerob fermentációban való felhasználás szempontjából

kritikus előkezelési hőmérséklet értékét 175 °C-ban határozták meg.


____________________________________________________________________

39

Az iszapkezelési eljárások ipari méretű intenzifikálására már az 1930-as években

kidolgozták a Porteous technológiát, amelyet kb. 200°C hőmérsékleten kb. 30 perces

hőntartási időt biztosítva végeztek, illetve az 1950-es évek közepén a Zimpro eljárást,

amelyben kezdetben 250°C hőmérsékletet alkalmaztak, majd a kommunális iszapkezelési

technológiákra adaptálva a kezelési hőmérsékletet, itt is 200°C-ra, illetve ez alá

csökkentették. Az anaerob rothasztási eljárást megelőző termikus előkezelések pozitív

hatását nemcsak laboratóriumi, hanem ipari körülmények között is igazolták az 1980-as

évek elején (pl. Haug et al., 1983), illetve a Cambi technológia alkalmazása során (Neyens,

Baeyens, 2003). Az anaerob fermentációnak a termikus előkezelésekkel történő

kombinálásának előnyeit a következőkben foglalták össze:

• A hőkezelési technológiában alkalmazott homogenizálás.

• A hőkezelést követően az iszappelyhek mérete csökken, ezért a biológiai

folyamatok sebességét befolyásoló fajlagos felület növekszik.

• A hőkezelésnél a hő- és áramlástani viszonyok optimálásával a rothasztók fűtési

energiaszükséglete csökkenthető.

• A hőkezelt iszap bűzterhelése kisebb mértékű, mint a kezeletlené.

• A hőkezelést követően a vizes fázisú melléktermék (iszapvíz) mennyisége

kismértékben növekszik, azonban ennek jó bonthatósága a rothasztók

folyamatszabályozását megkönnyíti.

Az előzőekben bemutatott sikeres magas hőmérsékletű termikus iszapkezelésekkel

párhuzamosan az 1980-as években találhatóak olyan tanulmányok (pl.: Hiraoka et al.,

1985), amelyekben 100°C alatti előkezelések esetében is növekedésről számolnak be

anaerob fermentációs hasznosítás esetén, azonban az eljárás legjelentősebb hátrányaként a

hosszú kezelési időt említik. Mivel a legtöbb szennyvíziszap típusban az aerob

mikroorganizmusok találhatóak meg nagy számban, az anaerob biológiai lebontás során

először a mikroorganizmusok sejtfalaink extracelluláris enzimekkel történő lebontása

történik.


____________________________________________________________________

40

2.3.2 A mikrohullámú iszapkezelés eddigi eredményei

2.3.2.1 Iszapszerkezetre gyakorolt hatások

A sejtfalak lebontásának egyik gyors módszere a mikrohullámú energiaközlés. A

mikrohullámú sugárzás sejtkomponens szintű abszorpciója következtében a sejtállomány

víztartalma halmazállapot változáson megy keresztül, ami a sejtfalra ható nyomásnak egy

kritikus szintet meghaladó értéke esetén a sejtfal integritásának megszűnéséhez vezet

(Lucchesi et al., 2007).

A sejtfalak és sejthártyák feltáródását követően a további degradációt a

makromolekulák oldalláncainak a frekvencia függvényében változó polarizációja

következtében, a hidrogénkötések felszakadása is elősegíti (Park et al., 2004). Az

elsődleges kémiai kötések felszakításához a legtöbbször használatos 2450 MHz

frekvenciájú mikrohullámú sugárzás energiája (1,02×10-5 eV; 0,4-40 J/molfoton az 1-100

GHz frekvencia tartományban) nem elegendő. A hidrogénkötések felbomlása, és az

iszapban található fehérjék másodlagos- és harmadlagos térszerkezetének változása az

iszappelyhek szerkezeti stabilitásának csökkenéséhez vezet (Park et al., 2010; Tang et al.,

2010).

Az iszapban lévő mikroorganizmusok sejtfalak felbomlásának, valamint az iszap

szerkezeti változásainak kvantitatív jellemzésére a szakirodalom a kémiai oxigénigény

(KOI, ill. COD [mgL-1], ill. [kg m-3]) egységben kifejezett szervesanyag vízoldhatóság

változását, illetve ezen belül az egyes vegyületcsoportok (fehérjék, lipidek, szénhidrátok)

vízoldhatóságában végbemenő változását használja. A vízoldható fázisban lévő szerves

anyagoknak (SCOD) a teljes szervesanyag koncentrációhoz (TCOD) viszonyított aránya

(SCOD/TCOD) kezeletlen, friss iszap esetében alacsony, előkezelés nélküli nyersiszap

esetében növekedése a – körülményektől függően aerob, vagy anaerob – spontán biológiai

lebomlási folyamatok megindulását jelzi. A mikrohullámú kezelések a SCOD/TCOD

arányt növelik, a szervesanyag frakción belül az egyes vegyületcsoportok vízoldhatósága

azonban nem azonos mértékben változik meg.

Kommunális eredetű, másodlagos szennyvíztisztítási eljárásból származó iszapok

esetében a mikrohullámú kezelések a kezdeti SCOD/TCOD arányt több mint kétszeresére –

6%-ról 15%-ra – növelték (Eskicioglu et al., 2006), de találhatunk olyan közleményeket,

amelyben körülbelül ötszörös növekményről számolnak be (Partk et al., 2004). A


____________________________________________________________________

41

körülbelül 10W/cm3 fajlagos mikrohullámú kezelési intenzitás rendelkezik olyan mértékű

dezintegráló hatással, mint a pH12 kémhatású, 60 perces lúgos kezelés.

Meg kell jegyezni, hogy a hagyományos termikus és a mikrohullámú kezelések

esetében egyaránt megfigyelték, hogy a magasabb hőmérséklet nagyobb mértékű

vízoldhatóság növekményt okozott, azonban a hőmérsékletnek egy kritikus érték fölé

emelése után a szerves anyagok egy része elveszik (illékony vagy bomló vegyületek).

Ugyan találhatóak a lúgos kezelést és az önálló mikrohullámú kezelést tekintve olyan

üzemeltetési paraméterek, amelyek a szervesanyag vízoldhatóság értékének változása

szempontjából ekvivalensek, azonban a kolloid mérettartományú - vízteleníthetőséget

negatívan befolyásoló - részecskék szempontjából, és az egyes szerves vegyületcsoportokat

külön vizsgálva, a mikrohullámú, vagy a kombinált lúgos-mikrohullámú termokémiai

kezelések előnyösebbek (Dogan and Sanin, 2009).

A mikrohullámú energiaközlés hatására kommunális iszapok esetében a

szénhidrátfrakciók vízoldhatóságának növekedése, kb. 10-15%-al magasabb, mint a

fehérjéké (Appels et al., 2010). A szénhidrátok oldhatósági tulajdonságaiban végbemenő

változások, a szerkezeti stabilitásukat biztosító glikozidos kötéseknek a mikrohullámú

energiaközlés termikus hatására történő felszakadásával magyarázható (Wennberg et al.,

2006). Appels és mtsai. egy későbbi (2013) tanulmányukban arról számolnak be, hogy az

összes szervesanyag frakció vízoldhatóságánál a szénhidrát összetevők oldhatósága kb.

27%-al volt magasabb, a teljes fehérje- és szénhidrát koncentrációk abszolút értékének

változása nélkül. Egy másik kutatócsoport szintén kommunális eredetű, azonban

alacsonyabb szervesanyag tartalmú iszap esetében a szénhidrátok oldhatósága esetében kb.

kétszeres növekedésről számol be a fehérjékhez viszonyítva közel azonos mikrohullámú

kezelési intenzitás esetében (Yu et al., 2009). Azonban az egyes komponensek oldható

formáinak koncentrációváltozási dinamikáját tekintve ugyanezen tanulmány a fehérjék

esetében gyorsabb növekedést ír le, amely az iszappelyhek szétesésén túl, a sejtfalak

felbomlását követő sejtnedv kiáramlásnak tudható be.

A fehérjék vízoldhatóságának növelése szempontjából a forrásponti hőmérséklet

növekedése kritikus, mivel ezt meghaladó kezelési hőmérséklet alkalmazásakor az

oldhatóság vagy csak kismértékben növekszik, vagy tovább nem nő. Ennek oka

feltehetőleg abban keresendő, hogy a hőmérséklet növelés hatására a molekulák kinetikus

energiája olyan mértékben növekszik meg, amely a hidrogénkötések felszakadása mellett


____________________________________________________________________

42

egyes nem-poláris, hidrofób kölcsönhatások erősségét is csökkenti, ami a fehérjemolekulák

stabilitását csökkenti (Eskicioglu 2007).

A lúgos kezelésekhez hasonlítva a mikrohullámú energiaközlés hatására, 100°C

kezelési hőmérséklet alatt, a fehérjék vízoldhatósága körülbelül azonos mértékben

növekszik, míg a szénhidrátok esetében a mikrohullámú módszer hatékonyabb (Eskicioglu

et al., 2006). A mikrohullámú és a lúgos kezelések során a két eljárással kapott oldatban

lévő fehérjetartalom növekedés összege elmarad a kombinált lúgos-mikrohullámú kezelés

esetében mérhető oldható fehérjekoncentrációtól, ami szinergista hatásmechanizmust jelez

(Dogan and Sanin, 2009).

Az iszapok mikrohullámú energiaközléssel való kezelése esetében, a termikus hatás

következtében a következő folyamatok mennek végbe:

� az iszappelyhek szétesése

� a sejtmembrán felszakadása

� a nagymolekulájú anyagok hidrolízise

A fehérjéket és szénhidrátokat is tartalmazó anyagok, mint például a kommunális és

élelmiszeripari szennyvíziszapok esetében, a hidrolízis során képződő reakciótermékek -

vagyis az aminosavak és egyszerű szénhidrátok- együttes jelenléte, valamint a magas

hőmérséklet következtében Maillard reakció megy végbe, amely a lebontásnak ellenálló

komponensek arányának növekedésében is szerepet játszik (Bougrier et al., 2007; Qiao et

al., 2008). A Maillard reakció termékei legtöbbször a kb 50-70 kDa molekulaméret

tartományba esnek (Dwyer et al., 2008), amely az iszap esetében a vízoldható fázisban

jelenik meg. A reakció a 80˚C feletti hőmérséklettartományban megy végbe, és

polimerizációs folyamatok következtében, mind az oldható fehérjék, mind a redukáló

cukrok mennyiségét csökkenti (Eskicioglu et al., 2007). Ezek alapján a magas hőmérsékletű

mikrohullámú kezeléseket követően szervesanyag tartalmon belül a fermentáció vagy az

aerob lebontási folyamatokat inhibiáló komponensek részaránya növekszik (Hong et al.,

2006).

A mikrohullámú kezelések hatására a lipideknek a sejtközötti állományban történő

növekedése figyelhető meg. A sejthártya és sejtfal feltáródásával a sejtfalat alkotó

foszfolipid kettősréteg is az iszapvízbe kerül, ami szintén jelentősen hozzájárul a

szervesanyag tartalom vízoldhatóvá válásához. A kétértékű kationok a negatív töltésű

foszfolipidekhez kapcsolódva stabilizálják a biológiai membránokat (Chu et al., 2001) ,


____________________________________________________________________

43

ezen szabad ionok – például Ca2+ - mennyiségének a kezelések hatására történő növekedése

szintén az előzőekben leírt hipotézist igazolja (Ahn et al., 2009).

A mikrohullámú kezelés folyamatparaméterei hatásának megítélése már nem ilyen

egyértelmű. Egyes szerzők a mikrohullámú teljesítmény növelése esetében a

szervesanyagok vízoldhatóságának növekedéséről számolnak be (Climent et al., 2007;

Appels et al., 2010), míg mások csökkenő tendenciákat fedeztek fel (Park et al., 2010;

Toreci et al., 2009). A szervesanyag vízoldhatóság mértékének csökkenése a nyitott

kezelőteret alkalmazó kísérleti mikrohullámú berendezésekben az illékony

komponenseknek a párolgás során történő elvesztésével is összefüggésbe hozható. Továbbá

az atmoszferikus kezelőedényzet és a pára kondenzációt és annak visszavezetését végző

egységek hiánya, vagy tökéletlensége révén a kezelés közben a párolgó felület nagymértékű

nedvességvesztése az iszappelyhek részleges dehidrációjához és ennek következtében

agglomerációjához vezet. Ebben az esetben még az esetlegesen a kezelés után adagolt víz

sem lesz képes a szerves anyagok teljes mértékű visszaoldására (Sólyom et al., 2011).

Ha a mikrohullámú kezelés esetében egy adott hőmérséklet elérése fogalmazódik meg

feladatként, a mikrohullámú teljesítmény növelése és a vízoldhatóság mértékében

bekövetkező változás fordított arányosságát írták le (Eskiciouglu et al., 2006; Park et al.,

2010), amely az eltérő besugárzási idő hatásával magyarázható. A változások trendjét és

mértékét tekintve azonban a rendelkezésre álló eredmények alapján egyértelmű

megállapítások nem tehetők, mivel a vizsgált iszapok összetétele, szárazanyagtartalma, a

kísérleti berendezések konstrukciója, az alkalmazott mikrohullámú

teljesítménytartományok, a kezelési hőmérséklet és a hőmérséklet emelkedés mértéke, és a

fajlagos mikrohullámú kezelési intenzitás szintjei eltérőek, és ezek mind befolyásolják a

kezelések hatékonyságát. Továbbá a változások jellemzésére szolgáló paraméterek (COD,

SCOD, PCOD) mérési-, valamint az ezekből képzett mutatók számítási metódusai sem

minden esetben egyeznek meg.

Az eddigi eredmények alapján az az általános megállapítás tehető, hogy a mikrohullámú

kezeléssel az iszap forráspontja gyorsan elérhető, ebben az esetben a mikrohullámú

hőkeltésnél a hagyományos hőkeltési módokhoz képest nagyobb számú gócpontban

létrejövő, és magasabb hőmérsékletű gőzt tartalmazó mikrobuborékok a képződő

szabadgyökök mennyiségét növelik. A képződő szabadgyökökkel kapcsolatban az

ultrahangos iszapkezelések esetében már kimutatták, hogy az oldhatóság mértékét növeli,


____________________________________________________________________

44

és a mikroorganizmuok inaktiválása szempontjából is előnyös (Chu et al., 2001; Ahn et al.,

2009). A mikrobuborékok és a szabadgyökök képződésében is szerepet játszanak a

többkomponensű rendszerek mikrohullámú térben leírt túlhevülési jelenségei is (Saillard et

al., 1995).

A nyers, előkezelést nem kapott, iszapban hidrofil tulajdonságú, hidrátburokkal

körbevett kolloid részecskék vannak, amelyeket az elektrosztatikus taszítóerők tartanak

távol. A nagyfrekvenciával változó polaritású mikrohullámú térben a vízmolekulák

rotációja révén a hidrátburok részlegesen felbomlik, a zeta-potenciál értéke csökken, így az

iszapszerkezet destabilizálódik (Jones et al., 2002).

A víztelenítési eljárásokat megelőző mikrohullámú kondicionálás esetében

megfigyelték, hogy flokkulálószereket alkalmazó szennyvíztisztítási technológiából

származó iszapoknál a kezelési időtartam első részében az iszappelyhek szétesnek

(fragmentálódtak), de a flokkulálószerek jelenléte miatt „újrapelyhesedési” mechanizmusok

játszódnak le, azonban az így létrejött pelyhek tömörebbek, ezáltal a kötött víztartalom

aránya az eredetinél alacsonyabb (Wojciechowska, 2005).

A kezelési teljesítményt, vagy a kezelési időt magas értékeknek választva az iszap

sejtenkívüli, polimerekből (EPS) álló mátrixa, továbbá egyes sejtes összetevőinek sejtfala

felszakad, amely a szűrési- vagy préselési műveleteket alkalmazó nedvességelvonási

eljárások során, a képződő sok kisméretű és kolloid mérettartományú részecske miatt, az

eltömődés mértékét, illetve a viszkozitást, és ennek következtében a szűrési ellenállást is

növeli (Yu et al., 2009). Az iszapmátrix szerkezeti és kémiai változásai a hőkeltés

hatásfokára (a dielektromos tulajdonságok változása miatt) is hatással vannak, továbbá a

viszkozitás változása a (konvektív) hőtranszport intenzitását is befolyásolja (Eskicioglu,

2007). A vizet és olajos fázist is tartalmazó iszapok esetében a mikrohullám, a zsír és

olajszerű összetevők eltérő dielektromos jellemzői miatt különböző mértékű felmelegedése,

és ezáltal a sűrűség- és viszkozitás változás különböző mértéke következtében fokozza a

fázisok szeparálódását, így a műveleti idő a hagyományos órákig tartó eljárásokkal

ellentétben néhány percre csökkenthető (Országh, 2004).

A mikrohullámú kezelést követően a kezeletlen iszaphoz képest a folyadékfázisban lévő

kolloid mérettartományú részesecskék magasabb koncentrációját flokkulációs tesztekkel

Chi et al. (2011) is igazolták. A mikrohullámú kezeléseket követően az iszap szerkezeti

változása következtében az iszap saját pehelyképzési tulajdonságai is megváltoznak. A


____________________________________________________________________

45

termikus hatások következtében az iszappelyhek szétesnek (dezintegrálódnak), és ezzel

párhuzamosan az EPS frakció koncentrációja az iszapvízben növekszik. Az extracelluláris

polimerek egy kritikus koncentrációjának elérése esetén azonban újrapelyhesedés játszódik

le. A deflokkulációs-flokkulációs egyensúly a mikrohullámú kezelési idő növelésével

azonban felborul, a hosszú idejű, és elsősorban a magas hőmérsékletű mikrohullámú

kezelések esetében már a deflokkulációs mechanizmusok dominálnak. Ezért, és az egyéb -

elsősorban a szénhidrát komponensek által elszenvedett - kedvezőtlen kémiai változások az

iszap vízteleníthetőségét már rontják (Jones et al., 2002; Yu et al., 2009).

2.3.2.2 Az anaerob fermentáció hatékonyságára gyakorolt hatások

Az előkezelések hatékonyságának értékelése szempontjából, az egyes

vegyületcsoportok esetében végbemenő koncentrációváltozások mellett nem hagyható

figyelmen kívül a további hasznosítási eljárások „hatékonyságának” mértékében

végbemenő változások elemzése sem. Az anaerob fermentáció során a mikrohullámmal

kezelt iszapok esetében a szervesanyag-eltávolítás (lebontás) hatékonysága jobb, mint a

kezeletlen iszapok esetében. A fehérjék esetében a lebomlás mértékének növekedése

kb.10%-os, a teljes oldott szervesanyag tartalom esetében kb. 20%-os (Appels et al., 2013).

Ennél – a százalékos növekményt tekintve – nagyobb arányú változások mentek végbe az

illékony zsírsavak (VFAs) tekintetében. A mikrohullámú előkezelések hatására javuló

biogáz-kihozatali mutatókat ezért az illékony zsírsavak koncentrációjának

megkétszereződésére vezették vissza.

A biogáz produkciót tekintve a mikrohullámú teljesítmény hatásának vizsgálatával

kapcsolatosan szintén ellentmondó eredmények lelhetőek fel, egyesek a képződött biogáz

mennyiségének növekedését emelik ki (Toreci et al., 2009), míg mások nem tekintik

szignifikánsnak ezen folyamatparaméter hatását (Eskicioglu et al., 2007). A

szervesanyagok vízoldhatóságának változása és a biogáz produktum növekedése sem

minden esetben mutat egyértelmű tendenciát, a vízoldhatóság mértékét már tovább nem

növelő mikrohullámú kezelési intenzitás a fajlagos biogáztermelődés szempontjából még

előnyös lehet.

A cellulóztartalmú anyagok etanol fermentációját megelőzően alkalmazott magasabb

intenzitású, nagyobb energiasűrűséggel végzett mikrohullámú kezelések a makromolekulák

hidrolízisét elősegítik, viszont a hidrolitikus és egyéb degradációs folyamatokban létrejövő


____________________________________________________________________

46

melléktermékek az élesztőgombák etanol termelési folyamatát részben inhibiálják (Binod et

al., 2012). Az iszapok esetében a fajlagos (egységnyi vízoldható szervesanyag tartalomra

vonatkozatott) metánkihozatal vizsgálata során ez a jelenség kevésbé jelentős (Sólyom et

al., 2011). A magas szervesanyag tartalmú, és alacsony nedvességtartalmú hulladékok

nyomás alatti mikrohullámú előkezelésével a szervesanyagok vízoldhatósága hatékonyan

növelhető és a kötött víztartalom csökkenthető, amely az anaerob fermentáció tekintetében

potenciálisan előnyösen felhasználható (Shahriari et al., 2011)

A szervesanyagok oldhatósági tulajdonságai kedvező irányú megváltoztatásának, a

termikus módszereken kívüli, további gyors módszere az oxidációs eljárások alkalmazása.

A mikrohullámú előkezeléseknek az oxidációs eljárásokkal való kombinációja a

szennyvíziszapok esetében a szervesanyagok vízoldhatóságának növelése szempontjából

előnyös. Wong et al. (2006) például 80˚C–os mikrohullámú/hidrogén-peroxidos (1:15

térfogatarányú adagolás) rövid idejű kezeléssel a teljes szervesanyag tartalmat vízoldható

formába alakították.

Önmagában a szervesanyagok oldhatóságának növekedése azonban nem minden

esetben arányos a biogáztermelődés változásaival, sőt a kombinált mikrohullámú-peroxidos

eljárások alkalmazásával kapcsolatban mind iszapok, mind egyéb szerves hulladékok

esetében az anaerob lebontás lag fázisának növekedéséről, a kezdeti gázképződési sebesség,

valamint a fermentációs folyamatok stabilitásának és képződő biogáz metántartalmának

csökkenéséről beszámoló munkák találhatóak (Eskcioglu et al., 2008; Shahriari et al.,

2012).

A biogáz kitermelést és a metánproduktumot tekintve a mikrohullámú kezelési

körülményektől és az iszap típusától függően kb 10%-os (Dogan and Sanin, 2009), 15%-os

(Sólyom t al., 2011); 30%-os (Eskicioglu et al., 2007); vagy 110%-os (Mudhoo et al., 2012)

növekményre vonatkozó adatokat is találunk. A mikrohullámú előkezelésnek az anaerob

fermentációs folyamatokra gyakorolt hatásainak részletesebb elemzése során

megállapították továbbá, hogy a kezelési intenzitás növelése a biogázképződés ütemét is

fokozza (Kennedy et al., 2007), valamint az anaerob lebontás kezdeti lag fázisa kb. 40%-al

lerövidül (Mudhoo et al., 2012). Mechanikai szennyvíztisztítási technológiából származó

híg, nem-víztelenített iszap (4 m/m% szárazanyag tartalom) esetében Zheng et al. (2009) a

90˚C-on kivitelezett mikrohullámú előkezelést követően a biogáz képződési ütem 37%-os

növekedéséről, és a teljes rothasztási folyamat idejének kb. 30%-os csökkenését írták le, a


____________________________________________________________________

47

maximális szervesanyag lebonthatóság 85%-ának elérése mellett. A szerves hulladékok

mikrohullámú előkezelésével kapcsolatban is megállapították, hogy a folyamatos üzemű

rothasztás esetében számítható rövidebb hidraulikus tartózkodási időszükséglet elsősorban

nem a teljes anaerob folyamatra megadott lebomlási sebesség magasabb értékének, hanem

a fermentáció első harmadában tapasztalható gyorsabb gázképződési ütemnek tudható be

(Shahriari et al., 2012).

Az iszapok rothaszthatóságának javítása céljából hatékonyan alkalmazható lúgos

előkezeléseknek, a reakcióidőt jelentősen lerövidítő mikrohullámú eljárással való

kombinációját vizsgálva Chi et al. (2011) rámutatott, hogy a hagyományos hőközléshez

képest a kombinált mikrohullámú eljárás hatékonysága mind a hőmérséklet, mind az

adagolt lúg koncentrációjának változására nézve érzékenyebb. A nem lebontható

komponensek képződésének csökkentése érdekében alacsonyabb adagolási dózis, és

alacsonyabb kezelési hőmérséklet megválasztása indokolt a mikrohullámú hőkeltés

alkalmazása során. Amennyiben a kezelt anyag összetételétől függő kritikus hőmérséklet

értékét nem meghaladó mikrohullámú kezelés történt, az iszap intracelluláris szerves

anyagai, a szerkezet változásai miatt, az anaerob fermentációban résztvevő savképző

baktériumok számára könnyebben hozzáférhetővé válnak, amelynek következtében az

általuk a metanogén baktériumok számára előállított szubsztrát hasznosulását javítja.

A további biológiai kezelési eljárások alkalmazhatóságának szempontjából a

kommunális és egyes ipari tevékenységekben keletkező iszapok esetében a fémionok

jelenléte is meghatározó. A mikrohullámú energiaközlésnek az iszappelyhekre gyakorolt

erőteljes dezintegráló hatása következtében az iszapvízben megjelenő réz ionok

koncentrációja növekszik, ami például az anaerob fermentáció során a hidrogén képződését

inhibiálja, így a gázképződés üteme csökken és a biogázkitermelési mutatók romlanak (Guo

et al., 2008).


____________________________________________________________________

48

3 CÉLKITŰZÉS

A doktori értekezésem célja a mikrohullámú energiaközlés hatásainak és

alkalmazhatóságának vizsgálata egy, a szakirodalomban még nem teljesen feltárt területen,

nevezetesen az élelmiszeripari iszapok esetében. A téma összetettsége, a gazdasági

szempontból is jelentős, várható eredmények, a kutatómunka többirányú megközelítését

tette szükségessé. Ennek megfelelően az alábbi rész-célkitűzésekkel éltem:

� A mikrohullámú energiaközléses eljárás szervesanyag frakciókra gyakorolt

hatásának vizsgálata, összehasonlítva a hagyományos termikus kezelések

hatékonyságával.

� A mikrohullámú energiaközléses eljárás hatékonyságának bizonyítása objektív

paraméterek segítségével.

� A mikrohullámú energiaközlésben meghatározó műveleti- és eljárás paraméterek, -

mint a kezelési idő, mikrohullámú teljesítmény-intenzitás, közölt energia, -

befolyásoló szerepének vizsgálata a szervesanyagok oldhatóságában és a

biológiai lebonthatóság növekedésének folyamatában.

� Az oldhatóság és a biológiai lebonthatóság mérésére szolgáló objektív mutatók

kifejlesztése, amelyekkel az iszap mikrohullámú kezelési paraméterei objektíven

vizsgálhatóvá tehetők, és amelyek alkalmasak a folyamat modellezésére és

optimálására.

� A mikrohullámú energiaközlés teljesítmény-intenzitástól és a közölt energia

nagyságától függő hatásának vizsgálata az élelmiszeripari iszapok anaerob

fermentációs folyamatára.

� Összefüggések feltárása az iszapok szervesanyagtartalmában és biológiai

lebonthatóságában bekövetkező változások és a dielektromos jellemzők között.

� A mikrohullámú energiaközlési eljárás anaerob fermentációban történő

előkezelésének gazdaságossági elemzése.


____________________________________________________________________

49

4 ANYAGOK ÉS MÓDSZEREK

4.1 A kísérletekhez felhasznált iszapok

A kísérletekhez háromféle, különböző élelmiszeripari technológiákban keletkező

szennyvízből származó iszapot használtam fel. A konzervipari szennyvíziszap

kukoricakonzerv gyártásakor keletkező szennyvíz ülepítése, majd az iszap sűrítésekor

keletkező, magas keményítőtartalmú iszap volt (DEKO-Food Zrt, Debrecen). A húsipari

szennyvíziszap egy vágással és húsfeldolgozással foglalkozó üzem szennyvízének

mechanikai szennyvíztisztítási fokozatából származó sűrített iszap (PICK Zrt, Szeged). A

tejipari szennyvíziszap egy tejüzem mechanikai szennyvíztisztítójából származó iszap

(Sole-Mizo Zrt, Szeged). Az utóbbi két iszap esetében a rendelkezésre bocsátott minták

víztelenítési eljárást követően kerültek gyűjtésre. A vizsgált iszap típusok esetében az

üzemi- és a kommunális üzemi létesítmények szennyvize együttesen kezelt, az iszap

tartalmazta a berendezések tisztításából és fertőtlenítéséből származó szennyvízben lévő

vegyületeket is. A felhasznált szennyvíziszapok főbb jellemzőit a 2. táblázatban foglaltam

össze.

2. táblázat. A vizsgálatokhoz használt iszapok jellemző paraméterei

Iszap típusa TS

[m/m%] pH [-]

TCOD [kgm-3]

BOD5 [kgm-3]

Konzervipari 5,2±0,9 6,1±0,4 136,2±4,1 32,7±2,1

Húsipari 17,3±1,9 6,2±0,3 539,9±7,6 31,4±2,1

Tejipari 24,8±1,3 6,6±0,5 398,5±9,2 25,5±5,8

A mintákat a kezeléseket megelőzően fagyasztva tároltam (-14˚C) a levegőtől elzárt

körülmények között PE tartályokban. A kezeléseket követően az analizálandó minták

átmeneti tárolását hűtve (4˚C) végeztem.


____________________________________________________________________

50

4.2 Mikrohullámú kezelések

A mikrohullámú iszap kezeléseket a SZTE Mérnöki Kar Folyamatmérnöki Intézetében

kifejlesztett mikrohullámú kezelő-mérőegységben végeztem. A berendezésbe a

mikrohullámokat egy 2450 MHz üzemi frekvencián működő 700 Watt maximális

teljesítménnyel rendelkező magnetron generálja. A magnetron fűtőfeszültsége a

nagyfeszültségű tápegység primer oldalán elhelyezett toroid transzformátor feszültség

beállításával fokozatmentesen vezérelhető. A nagyfeszültségű tápegység vezérlése lehetővé

teszi a folyamatos/szakaszos üzemmód választását, a szakaszosan sugárzó üzemmód esetén

a sugárzási-sugárzásmentes időprogram másodperc pontossággal szabadon beállítható. A

toroid transzformátor feszültségétől (Utr) függő magnetronteljesítményt (Pm) előzetesen,

teljesítményméréssel határoztam meg.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

160 170 180 190 200 210 220 230

Utr [V]

Pm

[W

]

5. ábra. Magnetronteljesítmény kalibrációs görbéje

A magnetron által kibocsátott mikrohullámú energia a H10 hullámterjedést biztosító,

négyszögletes csőtápvonalon, illetve a méretezett teflon illesztőéken keresztül jut be az

alapmódusú (E010) hengeres üregrezonátor térbe. Ilyen hullámterjedés esetén az

elektromos tér vektora párhuzamos a hengeres rezonátor szimmetriatengelyével, amely

ebben az esetben már nem gerjeszti az üregrezonátoron az esetleges üzem közbeni

nemkívánatos jelenségek megfigyelésére elhelyezett hosszanti vizsgálónyílásokat, továbbá

a sugárzás környezetbe kijutását megakadályozó lezáró perforációt és hullámcsapdát. Az


____________________________________________________________________

51

üreget lezáró lemez perforációjának átmérőjét, a sugárzás kijutásának megelőzése céljából,

a frekvenciától függő szabadtéri hullámhossz értékének legfeljebb negyedének lehet

megválasztani. A kiszámított λ/4 (30,6 mm) értéknél, a biztonságos működést szem előtt

tartva kisebb -12 mm – perforációjú elem került beépítésre. A berendezés négyszögletes

tápvonalába helyezett 3 db hangolórúd a tápvonal és az üregrezonátor illesztésére

szolgálnak, segítségükkel a magnetronra visszajutó (reflektálódó) teljesítmény

minimalizálható. Az illesztést minden mintatípus, illetve változtatott mintamennyiség

esetén végrehajtottam.

6. ábra. Mikrohullámú kezelőberendezés sematikus rajza

1-toroid transzformátor; 2-nagyfeszültségű táp vezérlőpanellel; 3-magnetron; 4- tápvonal; 5-illesztőék;

6-üregrezonátor; 7-hullámcsapda; 8-perforált lezárás; 9-iránycsatoló; 10-detektor; 11-teljesítménymérő;

12-hidraulikus emelő

A tápvonalba helyezett iránycsatoló, a kereszt alakú méretezett csatolórésen keresztül,

az elektromágneses sugárzás a terjedési iránytól függően haladó irányú (Ph), és visszavert

irányú (Pr) teljesítményeket csatol ki egy-egy csillapításon keresztül a berendezéshez

csatlakoztatott NRVD típusú (Rohde&Schwarz, Németország), kétcsatornás

teljesíménymérőre.

A mikrohullámú iszap kezelési eljárás vizsgálata során a mikrohullámú teljesítmény-

intenzitás (MWPL - microwave power level) és az anyaggal közölt fajlagos energia

(IMWE-irradiated microwave energy) műveleti paraméterek hatását elemeztem.


____________________________________________________________________

52

][Wg m

PMWPL 1-

iszap

m= [24]

][Jg m100

IPIMWE 1-

iszap

m

×

×τ×= [25]

A két műveleti paramétert a magnetron teljesítmény (Pm [W]), a kezelt iszap tömege

(miszap [g]), a kezelési idő (τ [s]) és a szakaszos üzemű kezelések során számított százalékos

sugárzási idő (I [%]) alapján határoztam meg.

4.3 Dielektromos jellemzők meghatározása

A dielektromos állandó (ε’) és a dielektromos veszteségi tényező (ε”) mérésére a SZTE

Folyamatmérnöki Intézete számára fejleszette dielektrométer készüléket használtam. A

berendezés mérőtápvonalához, NRVZ típusú szenzorokkal, kapcsolódó NRVD

teljesítménymérő (Rohde&Schwarz, Németország) segítségével a haladó irányú (Ph) és a

visszavert teljesítmény (Pr) mérhető, amelyből [26] összefüggéssel a dielektromos állandó

számítható.

h

r

P

P===='εεεε [26]

Továbbá a mikrohullámú teret generáló 2450 MHz frekvenciájú magnetronból érkező

sugárzás hullámkarakterisztikájának vizsgálatával - a λ/4 távolságra elhelyezett

detektorfejek villamos jeléből –fáziseltolás (φ) és a reflexió (Γ) értékének felhasználásával

a veszteségszög (δ) a [27] egyenlettel számítható, és ennek ismeretében a dielektromos

veszteségi tényező értéke a [28] összefüggésből meghatározható.

(((( )))) (((( ))))

ΓΓΓΓ++++

ΓΓΓΓ−−−−

ΓΓΓΓ−−−−

ΓΓΓΓ====

ϕϕϕϕ

ϕϕϕϕ

ϕϕϕϕ

ϕϕϕϕδδδδ

cos1

sin

cos1

sintgarctgarc [27]

'" εεεεδδδδεεεε ⋅⋅⋅⋅==== tg [28]


____________________________________________________________________

53

4.4 Vizsgálati és analitikai módszerek

4.4.1 Biokémiai oxigénigény mérése

A biokémiai oxigénigény (BOI [mgL-1]) a szerves anyagoknak a mikroorganizmusok

által, aerob biológiai folyamatok során történő lebontása közben, meghatározott időtartam

alatt, meghatározott hőmérsékleten elfogyasztott oxigén mennyiségét jelenti. A BOI

koncentráció a minta biológiailag lebontható szervesanyag tartalmával arányos ún. nem-

specifikus szervesanyag terhelési mutató.

A BOI több mérési módszer segítségével határozható meg. Az általam is használt

respirometriás módszernél a mintát légmentesen zárt edényben mozgatják, kevertetik, és a

baktériumok az anyagcsere-tevékenységük által elfogyasztott oxigént az edényben

jelenlévő gázfázisból egészítik ki. A felszabaduló szén-dioxidot valamilyen abszorpciós

szerrel (többnyire nátrium-hidroxiddal vagy kálium-hidroxiddal) a gázfázisból eltávolítják.

Az oxigén fogyásának meghatározását legtöbbször állandó térfogaton, manometriás

módszerrel a nyomás csökkenéséből számítják.

A vizsgálataim során a széntartalmú szerves anyagok mennyiségének meghatározására

legtöbbször használt 5 napos biokémiai oxigénigényt (BOI5) mértem egy hat férőhelyes,

folyamatosan kevertetett rendszerű BOD Oxidirect (Lovibond) típusú respirometriás

berendezéssel. A biológiai lebontás ütemét erősen befolyásoló hőmérséklet állandó

értékének (20±0,2˚C) biztosítására a mérőrendszert termosztátszekrénybe (TS606, WTW)

helyeztem. A BOI meghatározást az APHA 5210D (American Public Health Association,

Approved Standard Methods, 2001) módszernek megfelelően végeztem. A minták

hígítására és a meghatározás közben a pH fenntartására foszfát-puffer és nyomelem oldatok

keverékét alkalmaztam.

A minták beoltására standardizált, szelektív, heterogén mikrobatörzseket tartalmazó

BOD Seed (Cole-Parmer, USA) készítményt használtam. A poralakú készítményből

szuszpenziót készítettem 50 ml hígítóoldat felhasználásával, aktiváltam 60 perces

folyamatos, intenzív keverés és levegőztetés mellett. A szilárd hordozóanyag eltávolítását

10 perces 600 min-1 fordulatszámon végzett centrifugálással végeztem. A beoltáshoz a

felülúszó fázist használtam a minta térfogatára vonatkozóan 1%-os koncentrációban. Az

oltóiszap aktivitását glükóz-glutaminsavas módszerrel ellenőriztem.


____________________________________________________________________

54

A BOI méréshez használt palackokba bemérendő minta térfogatát a készülék belső

kalibrációjához tartozó mintatérfogatok és a várható BOI értékek függvényében

választottam meg. A szénfázisban keletkező szén-dioxid megkötésére a zárószeptumon

kialakított tartályba KOH pellet és 45 m/m%-os KOH oldat keverékét helyeztem.

4.4.2 Kémiai oxigénigény mérése

A kémiai oxigénigény (KOI [mgL-1]) a mintában lévő szerves anyagok

oxidálószerekkel, nedves úton végzett oxidációja során elfogyasztott oxigén mennyiségét

adja meg. Az iszapok magas szervesanyag tartalma miatt a meghatározáshoz a bikromátos

oxidáción alapuló mérési eljárást választottam. A kálium-bikromát savas közegben, magas

hőmérsékleten a következőképpen reagál:

OOHSOCrSOKSOHOCrK 34)(4 23424242722 +++=+

A keletkező oxigén a szerves anyagokat oxidálja. Az általam használt HACH küvettás

gyorstesztek mérési metódusa megfelel az USEPA5520D KOI mérési módszernek. A

tesztcsövek a meghatározási módszernek megfelelően kálium-bikromátot és kénsavat,

továbbá ezüst katalizátort és a klór tartalmú komponensek kicsapására szolgáló higany-

szulfátot tartalmaznak. A minták roncsolását termikus roncsolóban (ET 108, Lovibond)

végeztem 150˚C-on 2 óráig. A termikus-savas roncsolás során keletkező Cr3+ ionok okozta

színváltozást fotometriásan mértem PC Checkit fotométerrel (Lovibond).

A szervesanyag tartalommal arányos KOI mérés során meghatároztam a teljes

szervesanyag tartalmat (TCOD-total chemycal oxygen demand) valamint a vízoldható

szervesanyag tartalommal arányos KOI értéket (SCOD-soluble chemycal oxygen demand).

A TCOD mérésnél az analizált minta a teljes iszapmátrixot tartalmazta. A SCOD mérésénél

először az iszap vízoldható fázisát kellett elválasztani. A szeparálást 15 perces

centrifugálással (MPW-350, Lengyelország) 32000×g RCF értékkel végeztem. A

centrifugálással kapott felülúszót 0,45 µm (Millipore) pórusméretű cellulóz-acetát

alapanyagú mikroszűrőt alkalmazva fecskendőszűrővel tovább szűrtem. A vizsgált minta

TCOD és SCOD értékeinek különbsége megadja a nem oldható (partikuláris) formában

lévő szervesanyagok koncentrációját (PCOD).

SCODPCODTCOD += [29]


____________________________________________________________________

55

4.4.3 Szárazanyag tartalom és összes illékony szilárd anyag

A szárazanyag tartalom (TS) meghatározását az iszapok esetén elfogadott APHA

ASTM2540B metódusnak megfelelően szárítószekrényben történő, állandósult tömegig

történő szárítási módszerrel végeztem 103˚C hőmérsékleten, homogenizált mintából.

Az összes illékony szilárd anyagok (VS) koncentrációját az előzőekben leírtaknak

megfelelően szárított iszapminták 550˚C-on, izzítókemencében (Nabertherm LE 2-11,

Németország) történő 60 perces izzítása utáni tömegcsökkenésből határoztam meg, az

APHA 2540E módszernek megfelelően.

4.4.4 Anaerob rothasztási tesztek

A szennyvíziszapok anaerob körülmények közötti biológiai lebonthatóságát mezofil

hőmérséklettartományú rothasztási tesztekkel határoztam meg. A szennyvíziszapok biogáz

hozamának mérésére a WTW OxiTop-C 110 típusú 12 férőhelyes, folyamatosan

kevertetett, anaerob, manometrikus mérőrendszert használtam. A légmentesen zárható 250

cm3 hasznos térfogatú reaktorokhoz tartozó mérőfejek 2 órás időközönként rögzítették a

palackban mérhető nyomást. A mérési adatokat az adatgyűjtő egység a mérőfejekbe épített

infravörös távadó egységből hívta le, és a készülék saját szoftvere segítségével a

nyomásdiagramok megjeleníthetők, illetve MS Excel kompatibilis formátumba

konvertálhatóak. A mérőfejek által a reaktorban mért és rögzített nyomásértékekből (pr

[Pa]), a minta fölött lévő gáztér térfogatának (Vr [m3]) és a fermentációs hőmérséklet (Tf

[K]) ismeretében az egyetemes gáztörvényt felhasználva számítottam ki a keletkező biogáz

térfogatát (Vbg [m3]) szobahőmérsékletre (Tnorm [K]) és atmoszférikus nyomásra (patm [Pa])

normálva:

][ 3Nm

T

T

p

VpV

f

norm

atm

rrbg

⋅= [30]

A fermentációt 35±0,5°C hőmérsékleten végeztem, amely állandóságának biztosítására

a kísérleti rendszert termosztátszekrénybe helyeztem. Az iszapminták beoltására egy

kommunális szennyvíztisztító telep mezofil rothasztójának iszapját használtam. A beoltás

előtt az oltóiszapot adaptáltam a vizsgált iszapokhoz. Az adaptálást a későbbi anaerob

lebontási folyamatok során biztosított hőmérsékleten végeztem, az oltóiszap:


____________________________________________________________________

56

szennyvíziszap térfogati arányát az előzetes mezofil rothasztási tesztek eredményei alapján

3:1 értéknek választva. A vizsgált iszapok esetleges eltérő összetétele miatt minden

rothasztási teszt előtt az iszap szuszpenziók pH-ját 7,2 értékre állítottam be, az oltóiszap

adagolási koncentrációját 10%-nak állítottam be.

A biogáz összetételének vizsgálata céljából az azonos módon előkezelt iszapból

párhuzamos mintákat alkalmazva az egyik reaktorban a megfelelően kialakított

zárószeptum tartályába KOH pellet és túltelített KOH oldat keverékével (összes térfogat 6

mL) a képződő szén-dioxidot megkötöttem, amelyből a biogázban lévő CO2 komponens

aránya becsülhetővé vált. Az elegendő biogázproduktummal rendelkező minták esetében a

biogáz összetételét Airtox infravörös detektorral rendelkező hordozható gázanalizátorral

(Fresenius Gmbh, Németország) is vizsgáltam.

4.4.5 Mikrobiológiai vizsgálatok

Az iszapminták összes élőcsíraszámát IME 2032 Autoanalyzer (Cole&Parmer, USA)

készülékkel mértem, az iszapminták desztillált vízzel való hígítása és centrifugálás után. A

csíraszám meghatározásra használt IME TM tesztcsöveket a steril edényzetben történő

mintaelőkészítés után kapott felülúszóba törve, a csőben lévő vákuum a minát felszívta,

majd 60 másodperces keverés és homogenizálás után (Vortex) a csöveket zártam és az

inkubálóegységbe helyeztem 35˚C hőmérsékletre.

A tesztcsövekben lévő trifenil-tetrazolium klorid (TTC) reagens a mintában található

élő sejtek oxidációs folyamatai következtében színváltozáson megy keresztül, amely

alapján az összes élő mikroorganizmus száma meghatározható (USPTO 5550032 számú

szabadalom). Az abszorbancia változás mértékéből, illetve az inkubációs idő hosszából a

fotometriás elven működő analizátor egység, a belső kalibrációja alapján számítja a

csíraszámot (CFU/mL).


____________________________________________________________________

57

5 EREDMÉNYEK ÉS ÉRTÉKELÉSÜK

5.1 A vízoldható szervesanyagfrakció változásai

Az iszap kezelési eljárások hatékonyságának jellemzésére a szakirodalomban az egyik

legtöbbet használt módszer az iszapot alkotó szervesanyagok vízoldhatóságában

bekövetkező változások mérése. A víz- és szennyvízkezelésben használt standardizált

mérési módszerek közül a kémiai oxigénigény (KOI, COD) mérésre visszavezethető

mutatók alapján az egyes kezelések hatékonysága számszerűsíthető és összehasonlítható. A

mérési metódust az iszap hígítását követően a vízoldható frakció frakcionálásással nyert

mintán elvégezve (SCOD) a szervesanyagok százalékos aránya megadhatóvá válik a teljes

szervesanyaghoz viszonyítva.

5.1.1 Termikus iszapkezelési módszerek összehasonlító vizsgálata

A szakirodalmi forrásokat áttekintve megállapítható, hogy az élelmiszeripari eredetű

nyers iszapokra vonatkozóan nem állnak rendelkezésre kutatási eredmények, ezért a saját

kísérleti munkám tervezése során a kommunális iszapokhoz hasonló változási tendenciákat

feltételeztem. Mivel a kísérleteim során kizárólag a mikrohullámú energiaközlés önálló

hatását kívántam vizsgálni, így az előzetes kísérleti beállítások során összehasonlító

módszerként a hagyományos termikus (CH) kezelést választottam három különböző

hőntartási hőmérsékleten (80°C: CH-80; 90°C: CH-90; 95°C: CH-95), minden esetben 60

perc hőntartási időtartamig. Az eddigi kutatási eredményekre és tapasztalatokra

támaszkodva, a szakirodalomban leírt kísérleti körülmények és beállítások

figyelembevételével, kiszámítottam az azoknak megfelelő fajlagos kezelési teljesítmény-

intenzitást. Mivel ezek jelentős eltéréseket mutattak, illetve ezen paraméter változásának

hatásait ugyanazon alapanyag és/vagy kísérletsorozat során nem vizsgálták, az

előkísérleteimnél a fajlagos kezelési intenzitást három, általam kiválasztott értékre

állítottam be (0,5; 2; ill.5 Wg-1).

A kétféle – tejipari és húsipari - eredetű szennyvíziszap esetében a kezdeti vízoldhatóság

mértékében jelentős különbségek mutatkoztak. Az élelmiszeripari szennyvíz és iszap a

magas szervesanyagtartalma ellenére alacsony hatásfokú biológiai hasznosíthatóságát a

szakirodalomban már leírták (Bohdziewicz and Sroka, 2006), amely részben a lebontó


____________________________________________________________________

58

mikroorganizmusok számára könnyen hasznosítható, oldott formában lévő komponensek

alacsony részarányára vezethető vissza.

A saját kísérleteimhez felhasznált kezeletlen tejipari iszap szervesanyagainak

vízoldhatósága lényegesen alacsonyabb (kb. 9,5%) a húsipari iszaphoz viszonyítva (kb.

29%), amely a tejipari szennyvíznek a húsipari szennyvíztől eltérő összetételére

(savófehérjék, a hőkezelés és alvasztás hatására részlegesen koagulálódott fehérjefrakciók),

és a magasabb ion, detergens és fertőtlenítőszer koncentrációra vezethető vissza. Az

atmoszferikus nyomáson végzett termikus kezelések közül a legmagasabb hőmérsékletű

(95°C) 60 perces kezeléssel a tejipari iszap vízoldhatóságának mértéke 67%-al növekedett,

amely százalékos növekmény jelentősnek tekinthető, azonban az oldhatóság a

szervesanyagfrakción belül még így sem éri el a 16%-ot.

A mikrohullámú kezelések esetében a növekmény minden beállítás esetében magasabb

volt, mint a termikus eljárásnál, a 2Wg-1 fajlagos intenzitás melletti 25 perces, illetve az

5Wg-1 fajlagos teljesítmény-intenzitású rövid idejű -5 perces- kezelést követően a KOI

egységben mért vízoldható formában lévő összetevők aránya 30% fölé növekedett a teljes

szervesanyag frakción belül (7. ábra).

7. ábra. A szervesanyag-vízoldhatóság változása különböző kezeléseket követően


____________________________________________________________________

59

A húsipari iszap esetében a kontrollminta kezdeti magas szervesanyag-oldhatósága a

termikus kezelés hatására kismértékben növekedett, a kezelési hőmérséklet 90°C-ról 95°C-

ra növelése a szórásterjedelmet figyelembe véve további szignifikáns változást azonban

már nem eredményezett. Az előzetes kísérleti beállítások közül 2Wg-1 fajlagos teljesítmény-

intenzitást alkalmazva, 25 perces kezelést (kódolás: MW-2-25) követően a vízoldhatóság

abszolút értéke a tejipari iszaphoz képest magasabb volt, azonban a növekmény mértéke

(kb. 51%) a tejipari iszapéhoz képest (kb. 250%) kisebbnek bizonyult. A húsipari eredetű

iszapok esetében összességében tehát megállapítható, hogy a tejipari iszaphoz hasonlóan, a

mikrohullámú kezelések a hagyományos termikus kezelésekhez képest nagyobb mértékben

növelik a szervesanyagok vízoldhatóságát, azonban a mikrohullámú eljárás következtében,

a kezeletlen iszaphoz viszonyított növekmény mértéke a húsipari iszapok magasabb kezdeti

szervesanyag tartalmának ellenére - az alacsonyabb detergens és ionkoncentráció miatt - a

tejipari iszaphoz képest alacsonyabb.

A kezelések hatására az SCOD/TCOD paraméter értékének százalékos növekményét az

egyes tanulmányokban szereplő, 10-60%-os nagyságrendbe eső, növekményekkel (Appels

et al., 2010; Climent et al., 2007; Park et al., 2010) összevetve magasnak tűnhet. Azonban

figyelembe kell venni, hogy a primer és a kémiai tisztítási eljárásokból származó

élelmiszeripari iszapok a kommunális, valamint a biológiai tisztítási eljárásból származó

iszapoknál lényegesen alacsonyabb kezdeti oldhatósággal, kompaktabb iszappehely

szerkezettel rendelkeznek, így az egyes kezelések hatására bekövetkező változások arányai

nagyobbak.

Az élelmiszeripari iszapok esetében elért eredményeim a kommunális iszapok

mikrohullámú kezelésének hatását vizsgáló más, nagyobb teljesítmény-intenzitást

alkalmazó vizsgálatokról beszámoló, közleményekben leírt eredményekkel (pl.: Eskicioglu

et al., 2006) egyező tendenciát mutatnak.

Az ismétlésekkel végzett különböző termikus kezelésekkel nyert minták vízoldható

szervesanyag tartalom mérési eredményeire vonatkozóan χ2 próbát alkalmazva

homogenitásvizsgálati módszer segítségével vizsgáltam, hogy az alkalmazott kezelés

hatására bekövetkező koncentrációnövekedés szignifikánsnak (ha χ2 > χ2krit) tekinthető-e

tejipari (3. táblázat) és a húsipari iszap (4. táblázat) esetében.


____________________________________________________________________

60

3. táblázat. Tejipari iszap kezelések vízoldhatóságra gyakorolt hatásának vizsgálata χ2

próbával

Tejipari iszap kezelések χ2 próba eredményei

CH-80 CH-90 CH-95 MW-0.5-25 MW-2-15 MW-2-25 MW-5-5

Kont. 14,24 137,89 105,92 129,38 89,68 176,56 112,79 CH-80 - 74,14 57,30 121,03 93,47 148,19 77,57 CH-90 - - 7,41 85,75 113,62 60,66 41,07 CH-95 - - - 66,63 81,51 78,28 20,83 MW-0.5-25 - - - - 14,21 81,64 34,50 MW-2-15 - - - - - 131,30 34,41

MW-2-25 - - - - - - 105,34 χ2krit= 7,78; DF=4; p<0,05

4. táblázat. Húsipari iszap kezelések vízoldhatóságra gyakorolt hatásának vizsgálata χ2

próbával

Húsipari iszap kezelések χ2 próba eredményei

CH-80 CH-90 CH-95 MW-0.5-25 MW-2-15 MW-2-25 MW-5-5

Kont. 42,19 70,00 69,49 48,98 69,28 77,93 50,97 CH-80 - 12,88 52,50 38,49 50,88 44,36 15,61 CH-90 - - 33,62 55,13 62,23 23,10 26,70 CH-95 - - - 43,82 126,07 31,06 96,80

MW-0.5-25 - - - - 67,84 38,37 72,14 MW-2-15 - - - - - 51,52 21,80 MW-2-25 - - - - - - 53,20 χ2krit= 7,78; DF=4; p<0,05

A 3. illetve 4. táblázatban szereplő SCOD koncentrációkból számított χ2 értékeket

tekintve megállapítható, hogy a vízoldható szervesanyagok mennyisége valamennyi

kísérleti kezelési beállítás esetében, a kezeletlen mintához képest mindkét vizsgált

élelmiszeripari eredetű iszap esetében szignifikánsan nagyobb. A különböző iszapkezelési

módszerek összehasonlításakor megállapítható, hogy tejipari iszap esetében a hagyományos

termikus kezelésnél a hőmérséklet 90°C-ról 95°C-ra növelésének hatása nem szignifikáns

(χ2<χ2krit).


____________________________________________________________________

61

A mikrohullámú kezelések a hagyományos termikus eljárásokhoz képest szignifikánsan

nagyobb szervesanyag-oldhatósági növekmény elérését tette lehetővé mindkét iszaptípus

esetében, 10% hibavalószínűséget feltételezve. Mindezek alapján a mikrohullámú sugárzás,

annak teljesítmény-intenzitásától és a behatási időtől függő mértékben, a termikus

kezeléstől jobb hatásfokkal alkalmazható, elsősorban az eredetileg komplexebb struktúrával

rendelkező iszapoknál.

T1a: Élelmiszeripari iszapok esetében az atmoszferikus nyomáson végzett

mikrohullámú kezelés az atmoszferikus nyomáson kivitelezett,

hagyományos termikus kezelésekhez képest rövidebb műveleti

időszükséglet mellett nagyobb mértékben növeli a szervesanyagok

oldhatóságát.

5.1.2 Mikrohullámú műveleti paraméterek és a szervesanyag oldhatóság összefüggése

Az előzetes kísérletek során megállapítottam, hogy a mikrohullámú iszapkezelés a

hagyományos termikus eljárásokhoz képest jobb hatásfokkal és rövidebb műveleti

időszükséglettel alkalmas a vizsgált élelmiszeripari eredetű szennyvíziszapokban lévő

szervesanyagok oldhatóságának növelésére. Ezen okból, a további vizsgálatok során a

mikrohullámú kezelés fajlagos teljesítmény-intenzitásának hatását elemeztem. A kísérletek

során öt teljesítményszint (0,5;1,5;2,5;3,5;5 Wg-1) és öt különböző kezelési idő

(10;20;30;40;50 perc) beállítása mellett kezeltem mindkét iszapot háromszori ismétlés

alkalmazásával.

A kétféle iszap jelentősen eltérő kezdeti szervesanyag oldhatóságának ellenére, a

fajlagos mikrohullámú teljesítmény-intenzitás és a kezelési idő paraméterek hatását tekintve

azonos tendencia állapítható meg. Alacsony fajlagos kezelési teljesítmény alkalmazásakor a

kezelési idő nagyobb mértékben befolyásolja az oldhatóság változását, a nagyobb kezelési

teljesítmény-intenzitásnál a kezelési idő egy – teljesítmény-intenzitástól függő – határon

túli növelése nem okoz további növekedést az SCOD/TCOD paraméter értékében (7. ábra).


____________________________________________________________________

62

A tejipari iszapnál a legnagyobb alkalmazott 5 W/g teljesítmény-intenzitás esetén a

kezelési időnek 30 percről 40 percre növelése a mérési eredmények szórásának kétmintás

F-próbával igazolt egyezőségének teljesülése miatt (F=0,0224; Fkrit=0,0526; vagyis s1=s2;

α=0.05) alkalmazható kétmintás t-próbával vizsgálva már nem tekinthető szignifikánsnak

(t=2,219; tkrit=2,776) 95%-os megbízhatósági szinten. A 3,5 W/g fajlagos teljesítmény-

intenzitás esetén sincs szignifikáns hatása a kezelési idő 30 percet meghaladó

alkalmazásának (t=1,959; tkrit=2,776). A 3,5 W/g-nál alacsonyabb fajlagos mikrohullámú

teljesítmény tartományban a kezelési idő növelés hatása szignifikánsnak tekinthető.

Tejipari iszap

0

10

20

30

40

50

0 10 20 30 40 50

Kezelési idő [perc]

SC

OD

/TC

OD

[%

]

0.5 W/g 1.5 W/g2.5 W/g 3.5 W/g5 W/g

8. ábra. A százalékos szervesanyag vízoldhatóság tejipari iszap mikrohullámú kezelését követően

A húsipari eredetű iszapnál a szervesanyagok vízoldhatóságában bekövetkező növekedés

mértékét a 2,5-5 W/g teljesítmény-intenzitás tartományban a kezelési idő kevésbé

befolyásolja, mint a tejipari iszap esetében tapasztaltam (9. ábra). A 3,5 és 5 W/g

kezeléseket követően a szervesanyag vízoldhatóság mértékében 20 perces időtartam után

szignifikáns növekedés nem volt kimutatható. A nagyobb szervesanyagtartalommal, és

ezen belül a magasabb oldható szervesanyag hányaddal rendelkező húsipari iszap

oldhatóság változása szempontjából a magasabb teljesítmény-intenzitás (MWPL)

alkalmazása csak abban az esetben indokolt, amennyiben a kezelési időszükségletet

csökkenteni (vagyis a kezelési kapacitást növelni) szükséges.


____________________________________________________________________

63

Húsipari iszap

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50


SC

OD

/TC

OD

[%

]

0.5 W/g 1.5 W/g2.5 W/g 3.5 W/g5 W/g

9. ábra. A százalékos szervesanyag vízoldhatóság húsipari iszap mikrohullámú kezelését követően

A kémiai oxigénigény paraméterrel jellemzett szervesanyag vízoldhatóságában

végbement változások az iszapok szerkezeti dezintegrálódásával összefüggésben vannak, és

ez az iszapok későbbi kezelési lehetőségeit – víztelenítés, biológiai stabilizálási eljárások –

befolyásolja (Eskcoiglu et al., 2008). A részletesebb anyagszerkezeti és analitikai

vizsgálatok a szervesanyag frakción belül az egyes komponensek oldhatósági változásai

tekintetében sokszor ellentmondó eredményeket közölnek.

A szénhidrát és fehérje komponensek változásai alapján sem azok mértékének, sem

azok dinamikájának tekintetében egyértelmű és egybehangzó megállapítások nem tehetőek:

Appels et al. (2013) például a szénhidrát frakciók oldhatóságának kb. 30%-os növekedését

figyelte meg, míg Yu et al. (2009) annak megkétszereződését. Mivel azonban az egyes

komponesek elkülönített mennységi meghatározására, illetve az egyes vegyületek

szerkezeti változásainak vizsgálatára nem volt lehetőségem, így a változásokat

összegparaméterek mérésére visszavazetve jellemeztem.


____________________________________________________________________

64

A sűrített, illetve víztelenített, biológiai eredetű iszapokra jellemző polimer-mátrix

szerkezet bomlása, továbbá az intenzív hőfejlődés következtében felszakadó sejtfalak miatt

kiáramló intracelluláris komponensek következtében az intercelluláris térben a

lebegőanyagok és kolloid mérettartományú vegyületek koncentrációja növekszik. A

koncentrációnövekedés az indirekt módszernek tekinthető nefelometriás

zavarosságméréssel nyomon követhető volt.

A SCOD/TCOD arányhoz hasonló tendenciával írható le a kezeléseket követően

hígított minták szeparálása után nyert felülúszó fázis nefelometriás zavarosság egység

(NTU) értékeinek változása is (10. ábra). A tejipari iszap esetében a legnagyobb

teljesítmény-intenzitás alkalmazása során a 30 perces kezelést követően tapasztalt NTU

csökkenés feltehetőleg a vizes fázisba került egyes szerves vegyületek hőhatásra

bekövetkező részleges koagulálódásával, illetve a fehérje és szénhidrát frakciók részleges

hidrolízisét követő polimerizációs jelenségekkel magyarázható (Eskiciouglu et al., 2007),

amelyre a KOI mérés kevésbé érzékeny, mint az optikai módszer.

0

500

1000

1500

2000

0 10 20 30 40 50


NT

U

0.5 W/g 2.5 W/g 5 W/g

0

500

1000

1500

2000

0 10 20 30 40 50


NT

U

0.5 W/g 2.5 W/g T-5 W/g

a) b) 10. ábra. Az iszapminták vizes szuszpenziójában mérhető zavarosság

a) tejipari és b) húsipari iszap esetében

Meg kell jegyezni azonban, hogy az iszapok esetében, a magas szárazanyagtartalom

miatt, a zavarosságmérést 150-szeres hígítást követően lehet elvégezni, amely az

iszapmosási eljárásokhoz hasonlóan a szervesanyag tartalom oldhatóságát befolyásolja, így

a zavarosságmérés az általam is alkalmazott formában, önmagában nem alkalmas a


____________________________________________________________________

65

mikrohullámú kezelések hatására az anyagban végbemenő változások objektív, kvantitatív

jellemzésére, ezért csak kiegészítő információkat nyújthat.

Az iszap szerkezetében végbemenő változások az iszap reológiai paramétereivel is

jellemezhetőek. A termikus kezelések során először az iszappelyhek stabilitását biztosító

extracelluláris polimerháló hidrolízise megy végbe, majd egy kritikus hőmérséklet, illetve

ennek megfelelően egy meghatározott hőterhelés elérése után a sejtfalak felszakadásával a

sejten belüli állomány kiszabadul (Cho et al., 2012). Az első lépcsőben lejátszódó

iszapszerkezeti módosulást a viszkozitás csökkenése; majd a sejtnedv kiszabadulását, és

ezáltal a vizes fázisban lévő szervesanyagok koncentrációjának növekedését a viszkozitás

kismértékű növekedése kíséri.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Kont.

CH-95

MW-0,5-10

MW-0,5-30

MW-1,5-10

MW-1,5-20

MW-2,5-10

MW-2,5-20

MW-5-10

Viszkozitás [Pas]

11. ábra. Viszkozitás tejipari iszap esetében (t=55°C)

A tejipari iszap kezelését követően az azonos hőmérsékletre (55°C) hűtött minták

viszkozitás értékei alapján megállapítható, hogy a mikrohullámú kezelésekkel az iszap

áramoltathatósága javítható, amely folyamatos üzemű iszapkezelés és a technológiai

csővezetékekben való szállítás, valamint a homogenizálás esetében is előnyös.


____________________________________________________________________

66

Az anyaggal közölt energia egy határon túli növelése – amely egyaránt elérhető a magas

teljesítményszint, vagy a hosszú idejű kezelésekkel – az előnyösen növekvő szervesanyag

vízoldhatóság mellett már az áramoltathatóság csökkenését okozza. A folyamatban szerepet

játszó, a sejtes összetevők és a polimerek hidrolíziséből származó vegyületek a

mérettartományuk révén az iszapok fázisszeparációját, különösen a szűrhetőséget, már

negatívan befolyásolják (Yu et al., 2009).

Amennyiben az iszapkondicionálást a sűríthetőség, vagy a szűrhetőség javítása céljából

végzik - további biológiai hasznosítási eljárások nélkülözésével - alacsony hőmérséklet, kis

energiaintenzitás, vagy rövid műveleti idő alkalmazása indokolt.

T2a: A mikrohullámú iszapkezelési eljárásnak, a szervesanyagfrakció

oldhatósága szempontjából értelmezett hatékonyságát, a mikrohullámú

sugárzás behatási idején túl, a kezelt anyag egységnyi tömegére

vonatkoztatott, azaz fajlagos teljesítmény-intenzitás is befolyásolja.


____________________________________________________________________

67

5.2 A biológiailag bontható szervesanyagfrakció változásai A szervesanyagtartalmon belül a biológiailag lebontható frakciók kvantitatív

jellemzésére, aerob lebontást feltételezve, a biokémiai oxigénigény (BOI) használható. A

BOI megmutatja, a mérési időintervallumon belül, adott hőmérsékleten, a szervesanyag

biológiai oxidációjához felhasznált oxigén mennyiségét a vizsgált mintában. A BOI értékét

a biológiailag lebontható szervesanyag tartalom nemspecifikus összegparamétereként

használja mind a szakirodalom, mind a gyakorlat.

5.2.1 Termikus és mikrohullámú eljárás összehasonlító vizsgálata

A BOI értéke és változási trendjei a paraméter által mért komponensek, illetve a

meghatározási módszer sajátosságai révén is, a szervesanyagok vízoldhatóságának

mértékéhez kötött. Ezért a vizsgálataim során a kétféle iszaptípus kezdeti BOI értéke,

illetve az egyes kezelések okozta különbségek tekintetében hasonló tendenciákat vártam. A

termikus és a mikrohullámú kezelés összehasonlítása céljából végzett első kísérletsorozat

eredményei alapján megállapítható, hogy a mikrohullámú eljárás, megfelelő kezelési

körülményeket alkalmazva, alkalmas az élelmiszeripari iszapokban a biológiailag

lebontható, oldott szervesanyagok koncentrációjának növelésére, a termikus eljárásoknál

nagyobb hatékonysággal (12. ábra).

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

Kont.CH-80

CH-90CH-95

MW-0.5-25

MW-2-15

MW-2-25MW-5-5

BO

I 5 [

g m

-3]

Húsipari iszap Tejipari iszap

12. ábra. A biokémiai oxigénigény (BOI) változás (vizsgálati idő=5nap, t=20°C)


____________________________________________________________________

68

Az előzetes vizsgálatok során beállított teljesítmény-intenzitás és kezelési időszintek

hatását tekintve a szervesanyagok oldhatóságában bekövetkezett változásokhoz

viszonyítva, nem minden esetben találtam egyezést. Míg az alacsony teljesítmény-

intenzitású, hosszabb idejű mikrohullámú kezelés (MW-0,5-25) a tejipari iszap oldott

szervesanyagainak koncentrációját a termikus kezeléshez képest (CH-95) szignifikánsan

növelte (7. ábra; 3. táblázat), addig a BOI-ban nem következett be számottevő, szignifikáns

változás (12. ábra; 5. táblázat).

A mikrohullámú kezelések során alkalmazott műveleti paraméterek hatását vizsgálva a

BOI értékek változásai alapján előzetesen megállapítható volt, hogy az alacsonyabb

teljesítményszint beállítása mellett hosszú ideig végzett kezelések hatása több esetben

ekvivalens a nagy teljesítmény-intenzitású, de rövidebb idejű kezelésekével.

5. táblázat. Tejipari iszap kezelések BOI5 értékre gyakorolt hatásának vizsgálata χ2

próbával

Tejipari iszap kezelések χ2 próba eredményei

CH-80 CH-90 CH-95 MW-0.5-25 MW-2-15 MW-2-25 MW-5-5

Kont. 33,10 68,41 43,38 31,48 36,58 45,65 49,44 CH-80 - 4,98 22,96 11,89 12,02 14,80 14,84 CH-90 - - 6,01 4,80 15,63 14,03 10,72 CH-95 - - - 7,10 7,38 11,39 8,73 MW-0.5-25 - - - - 0,64 9,48 2,80

MW-2-15 - - - - - 2,26 1,52

MW-2-25 - - - - - - 1,33

χ2krit= 7,78; DF=4; p<0,05

A húsipari iszap eredeti biológiailag lebontható szervesanyagtartalma a tejipari iszapánál

nagyobb, így a BOI értékének a kezelések hatására bekövetkező növekedése

abszolútértékben meghaladja a tejipari iszapnál tapasztalt növekedést. Az oldhatóságnál

megfigyelhető változásokkal azonos módon, de a tejipari iszap BOI értékeinek változásától

eltérően, a húsipari iszap kezelésénél a nagy teljesítmény-intenzitású, rövid idejű

mikrohullámú kezelés, biológiailag bontható szervesanyag frakciók növelése tekintetében,

szignifikánsan kimutatható módon, kevésbé hatékony (6. táblázat), mint az alacsonyabb

teljesítményszint és hosszabb idejű mikrohullámú energiaközlés alkalmazása.


____________________________________________________________________

69

6. táblázat. Húsipari iszap kezelések BOI5 értékre gyakorolt hatásának vizsgálata

Húsipari iszap kezelések χ2 próba eredményei

CH-80 CH-90

CH-95

MW-0.5-25 MW-2-15 MW-2-25 MW-5-5

Kont. 55,10 67,38 87,93 81,10 102,77 59,96 50,00 CH-80 - 22,59 51,20 53,82 33,97 24,89 17,96 CH-90 - - 5,14 36,95 23,22 12,87 13,58 CH-95 - - - 18,66 16,42 11,45 15,57 MW-0.5-25 - - - - 5,83 24,82 23,79 MW-2-15 - - - - - 15,67 6,07

MW-2-25 - - - - - - 11,08

χ2krit= 7,78; DF=4; p<0,05

Az előzetes kísérletek alapján azonban mindkét típusú iszap esetében megállapítható,

hogy a mikrohullámú energiaközléssel végzett kezelés hatékony a BOI növelés céljából.

Továbbá megállapítható, hogy a mikrohullámú teljesítmény-intenzitás (MWPL) a

biológiailag bontható szervesanyag koncentráció és a kezelések optimálása szempontjából

is meghatározó tényező lehet.

T1b: Élelmiszeripari iszapok esetében az atmoszferikus nyomáson végzett

mikrohullámú kezelés az atmoszferikus nyomáson kivitelezett,

hagyományos termikus kezelésekhez képest, rövidebb műveleti

időszükséglet mellett, nagyobb mértékben növeli az aerob folyamatokban

lebontható vegyületek koncentrációját, amely alkalmassá teszi a módszert

a biológiai iszap-hasznosítási eljárások szervesanyag hasznosításának

intenzifikálására.


____________________________________________________________________

70

5.2.2 A mikrohullámú eljárás kezelési körülményeinek hatása

A mikrohullámú eljárás változó teljesítmény-intenzitásának hatását, az oldhatóság

mellett, a BOI paraméter esetében is vizsgáltam. A biológiai lebonthatóságot jelző

összegparaméterekkel kapcsolatos szakirodalmi közlemények elsősorban az anaerob

körülmények közötti gáztermelődés változásait emelik ki, de a mikrohullámú eljárás

esetében mind a kezelési idő, mind az alkalmazott teljesítmény vonatkozásában egyértelmű

megállapításokat nem tettek. A kommunális iszapok esetében egyes közlemények a

kezelések során az alkalmazott teljesítmény növelését előnyösnek ítélték meg (Toreci et al.,

2009), míg más esetben ezt elhanyagolhatónak tartják (Eskicioglu et al., 2007). A

kutatómunkám során ezért az egyéb kísérleti körülmények állandóságának biztosítása

mellett vizsgáltam a két iszaptípus esetében a teljesítmény-intenzitás hatásait.

A saját kísérleti eredményeim alátámasztották a hipotézisemet, miszerint a fajlagos

teljesítmény-intenzitás hatást gyakorol a lebontó mikroorganizmusok számára hozzáférhető

iszapösszetevők koncentrációjára. A BOI változását tekintve megállapítható, hogy azonos

fajlagos teljesíményszint esetében a kezelési idő, illetve azonos besugárzási időtartam alatt

a fajlagos teljesítmény-intenzitás befolyásolja a biológialag könnyen oxidálható formában

lévő szervesanyagok koncentrációját. A kezelések hatására bekövetkező változások

időfüggése, jó illeszkedés mellett, logaritmikus telítési görbékkel írhatóak le mind a tejipari

(13. ábra), mind a húsipari iszap (14. ábra) esetében.

Tejipari iszap

0

40000

80000

120000

160000

0 10 20 30 40 50


BO

I 5 [

g m

-3]

0.5 W/g 1 W/g 1.5 W/g

2.5 W/g 3.5 W/g 5 W/g

13. ábra. A BOI változása a különböző MWPL-en végzett tejipari iszap kezelések során


____________________________________________________________________

71

Húsipari iszap

100000

150000

200000

250000

300000

350000

0 10 20 30 40 50


BO

I 5 [

g m

-3]

0.5 W/g 1 W/g 1.5 W/g

2.5 W/g 3.5 W/g 5 W/g

14. ábra. A BOI változása a különböző MWPL-en végzett húsipari iszap kezelések során

7. táblázat. BOI időfüggvényében való változását leíró egyenletek

Tejipari iszap Húsipari iszap MWPL [Wg-1]

Illesztett függvény egyenlete R2 Illesztett függvény egyenlete R2

0.5 26985ln(x)-40439 0.942 63721ln(x)-12309 0.907

1 27682ln(x)-22244 0.896 81841ln(x)-32821 0.982

1.5 31162ln(x)-24538 0.969 82089 ln(x)-9242 0.993

2.5 32377ln(x)-24540 0.902 5466ln(x)+101561 0.889

3.5 34114ln(x)-21571 0.894 27033ln(x)+208030 0.871

5 46604ln(x)-47065 0.903 15236ln(x)-250277 0.817

A mikrohullámú kezelések során a változó teljesítmény-intenzitásnak a kétféle

iszaptípusra gyakorolt hatását tekintve, az oldhatóság esetében tapasztaltakhoz hasonlóan, a

tejipari iszap esetében jelentősebbnek bitonyult. A húsipari iszapnál a 2,5-5Wg-1 fajlagos

teljesítményszint alkalmazásakor a BOI értékének kezdeti különbségei lecsökkentek a

kezelési idő növelésével.


____________________________________________________________________

72

A 3,5 és 5Wg-1-os teljesítményszint alkalmazásánál 40 perces kezelésnél, illetve a 2,5;

3,5 és 5Wg-1 MWPL értékeknél 50 perces kezelésnél a BOI értékében, a szórások

figyelembevételével 95%-os megbízhatósági szinten kétmintás t-próbával vizsgálva

szignifikáns különbség már nem mutatható ki.

A mikrohullámú energiaközlésen alapuló anyagkezelési eljárások hatásait tárgyaló

tanulmányok jelentős részében a mikrohullámnak a hagyományos hőkeltési módszerekhez

viszonyított legfontosabb előnyeként a jelentősen lerövidülő műveleti időt emelik ki. Az

eredményeim alapján megállapítható, hogy az élelmiszeripari iszapok

szervesanyagfrakcióiban végbemenő változások szempontjából a fajlagos teljesítmény-

intenzitással befolyásolható a rövid idejű kezelések hatékonysága.

T2b: A mikrohullámú iszapkezelési eljárásnak, a biológiailag lebontható

szervesanyagok koncentráció változása szempontjából értelmezett

hatékonyságát, a mikrohullámú sugárzás idején túl, a fajlagos

teljesítmény intenzitás, azaz a kezelt anyag egységnyi tömegére

vonatkoztatott mikrohullámú teljesítmény is befolyásolja.

5.2.3 A biológiailag bontható komponensek relatív arányának változása

A mikrohullámú eljárással feltárt, oldott állapotba kerülő szervesanyagoknak az aerob

lebontó mikroorganizmusok számára hozzáférhető és hasznosított összetevőinek

mennyiségi jellemzését a BOI/KOI százalékos aránnyal is vizsgáltam. A kommunális

iszapok termikus kezelésének a biológiai bonthatóság változására gyakorolt hatásának

jellemzésére alkalmazott BOI/KOI hányados esetében Prorot et al. (2011) a kontroll és az

előkezelt minta között nem találtak szignifikáns különbséget. A biokémiai oxigénigény

mutatót alkalmazva Wojciechowska (2005) kommunális iszap esetében kimutatta, hogy a

mikrohullámú kezeléssel a kémiai oxigénigénye mellett a BOI és a vizes fázisban

detektálható nitrogén koncentrációja is növelhető.

A vizsgált iszapok esetében az analitikai eredményekből számított százalékos BOI/KOI

arány nem követte egyértelműen sem az oldhatóság (SCOD/TCOD) sem a vizes fázisban

mért BOI érték változását. A szervesanyag aerob mikrobiális lebontási folyamatokban való

hasznosulást jellemző paraméter esetében, a nagy energia-intenzitású kezelések


____________________________________________________________________

73

alkalmazásakor, egyértelműen megállapítható volt, hogy a kezelési idő egy határon túli

növelése már a mutató csökkenését okozza. Vagyis az oldhatóság változásának vizsgálata

esetében megállapított hatás, miszerint a teljeítmény-intenzitás és a kezelési idő növelése

korlátos, illetve a BOI esetében megállapított telítési jellegű függvénykapcsolat

változásainak mértéke egy, az iszaptípustól és teljesítmény-intenzitástól függő, maximális,

értéktartományt jelöl ki a BOI/KOI arány esetében. A tejipari iszapnál a kezelési idő egy

határon túli növelésének negatív hatása a 3,5 és 5 W/g fajlagos teljesíményszintek

alkalmazása esetében volt tapasztalható (15. ábra)

Tejipari iszap

0

20

40

60

80

0 10 20 30 40 50


BO

I 5/K

OI

[%]

0.5 W/g 1 W/g1.5 W/g 2.5 W/g3.5 W/g 5 W/g

15. ábra. A BOI/KOI arány változása tejipari iszap kezelésekor

Ezen tartománynak megfeleltetett teljesítmény-intenzitás és besugárzási idő

meghaladásakor a feltárt szervesanyagok aerob biológiai lebontási folyamatokban való

hasznosíthatósága már romlik. A magasabb kezdeti szervesanyag tartalmú húsipari iszap

esetében a 2,5; 3,5 és 5W/g teljesítményszintek alkalmazásakor tapasztalható a BOI/KOI

arány csökkenése (16. ábra).


____________________________________________________________________

74

Húsipari iszap

40

50

60

70

80

90

0 10 20 30 40 50


BO

I 5/K

OI

[%]

0.5 W/g 1 W/g1.5 W/g 2.5 W/g3.5 W/g 5 W/g

16. ábra. A BOI/KOI arány változása húsipari iszap kezelésekor

A mikrohullámú kezelések hatásait tekintve tehát megállapítható, hogy az eljárással a

kezelés során feltárt és oldott álapotba került szervesanyagok aerob biológiai

lebonthatósága növelhető. A biológiai lebonthatóság változását a kezelések során beállított

fajlagos teljesítmény-intenzitás is befolyásolja. Továbbá mindkét vizsgált iszaptípus

esetében a kezelési idő növelésekor, nagy teljesítmény-intenzitást alkalmazva az aerob

szervesanyag hasznosíthatósággal összefüggő mutató csökkenő tendenciájú szakaszba

megy át.

Az iszap szerkezetét részben meghatározó EPS frakció a sejteket érő hőstressz

szempontjából védő funkcióval rendelkezik. Az iszap mikrohullámú kezelésekor az első

szakaszban a közölt energia az EPS roncsolására hasznosul, majd a következő szakaszban a

sejtfalak felszakítása következik. A sejtmembránok felbomlásával, illetve a kezelések során

a fehérjék részleges hidrolízisével az ammónia-nitrogén koncentrációja a vizes fázisban

növekszik (Eskicioglu et al., 2007; Kuglarz et al., 2013).


____________________________________________________________________

75

A hidrolízis, és ennek következtében a molekulaméret csökkenésével könyebbé váló

biológiai lebonthatóság, ezek alapján indirekt módon, az ammónia vegyületek okozta pH

változással is nyomonkövethető. A mérési eredményeimben elsősorban a magasabb

fehérjetartalommal rendelkező húsipari iszap esetében tapasztaltam a mikrohullámú

kezelések következtében létrejövő pH változást (17. ábra). Azonos kezelési időt alkalmazó,

de növekvő teljesítményintenzitású kezeléseknél, illetve ugyanazon teljesítményszint

mellett a kezelési időt növelve az iszap pH-jának növekedése, majd állandósulása volt

5.0

5.4

5.8

6.2

6.6

7.0

Kont 0.5 1.5 2.5 3.5 5

MWPL [Wg-1]

pH

5.5 6.0 6.5 7.0

Kont

10

20

30

40

50

Kez

elés

i idő

[per

c]

pH

a) b)

17. ábra. A pH változása a teljesítmény intenzitás (t=40 perc) a) és a kezelési idő b)

függvényében (MWPL=3,5 W/g)

A nagy energia-intenzitású, hosszú kezelési időt alkalmazó nyitott rendszerekben

kivitelezett mikrohullámú kezelések esetében leírt ammónia eltávozáshoz köthető pH

csökkenést (Eskicioglu et al., 2008a) az általam alkalmazott kísérleti elrendezésben,

élelmiszeripari iszapok esetén nem tapasztaltam.

Rövid idejű mikrohullámú kezelések esetében a fajlagos teljesítmény-intenzitás értéke

meghatározó, a tejipari iszapok esetében a 10 perces kezeléseket alkalmazva a 0,5-5 W/g

tartományban a fajlagos teljesítményszint növelés a BOI/KOI arány folyamatos

növekedését okozza.

Ugyanezen kezelési paramétertartományban a húsipari iszap esetében a magasabb -3,5

és 5W/g- teljesítményszintek hatásának különbsége kétmintás t próbával vizsgálva 95%-os

megbízhatósági szinten már nem szignifikáns (t=1,747; tkrit=.4,303).


____________________________________________________________________

76

Az energiaközlés behatási idejét növelve a teljesítmény-intenzitásnak a BOI/KOI

arányra gyakorolt hatása mérséklődik. A húsipari iszap esetében a 40 perces kezeléseknél a

1,5; 2,5 és 5 W/g, a tejipari iszapnál a 3,5 és 5 W/g teljesítményszintek hatásai közötti

különbség a kétmintás t-próbák eredményei alapján nem tekinthető szignifikánsnak (18.

ábra).

10 perces kezelés

0

20

40

60

80

100

0.5 1.5 3.5 5

MWPL [Wg-1]

BO

I 5/K

OI [

%]

Tejipari iszapHúsipari iszap

40 perces kezelés

0

20

40

60

80

100

0.5 1.5 3.5 5

MWPL [Wg-1]

BO

I 5/K

OI [

%]

Tejipari iszapHúsipari iszap

18. ábra. A BOI/KOI arány 10 és 40 perces kezeléseknél

A teljesítményszint által is meghatározott, maximum értékkel jellemzhető BOI/KOI-idő

összefüggés a későbbiekben a műveleti paraméterek optimálásakor meghatározó

jelentőségű lehet.


____________________________________________________________________

77

5.3 Mikrohullámú iszapkezelés műveleti paramétereinek optimálása

A mikrohullámú iszapkezelési eljárás műveleti paramétereinek matematikai

modellezéséhez és a folyamat optimálásához, a szakirodalmi és a saját mérési eredményeim

ismeretében először olyan mutatókat fejlesztettem, amelyek alkalmasak az élelmiszeripari

iszapok szervesanyagainak vízoldhatóságában, valamint az aerob biológiai lebonthatóság

változásában végbement változások objektív jellemzésére.

5.3.1 Mikrohullámú kezelés jellemzésére alkotott paraméterek

Az iszapok összetételében mutatkozó fluktuáció, illetve az eltérő eredet következtében

szükségessé vált olyan paraméterek kifejlesztése, amelyek a kezeléseknek az iszap

szerkezetében és biológiai bonthatóságában bekövetkező változásokat számszerűen és

objektíven jellemzik. A hagyományos termikus és a mikrohullámú iszapkezeléseket

tárgyaló szakirodalmi közlemények legtöbbjében az iszappelyhek dezintegrálódásának és a

szervesanyagok oldhatósági változásának jellemzésére a vízoldható kémiai oxigénigény

(SCOD), illetve egyes esetekben a SCOD és teljes kémiai oxigénigény (TCOD) arányát

használják. Az iszap szilárd fázisában (iszapot alkotó részecskékben) lévő szervesanyag

tartalom (PCOD) a TCOD és SCOD érték különbségeként értelmezhető. Ez a paraméter

azonban nem veszi figyelembe a kezeletlen iszap eredeti tulajdonságait és a százalékos

növekmények összehasonlítása nehézkes, illetve ezek értékelésekor sok esetben nem

tehetőek egyértelmű megállapítások, javaslatok.

A munkám célja, olyan mutató kifejlesztése, amellyel az élelmiszeripari

szennyvíziszapok mikrohullámú kezelésének hatékonysága, az iszapok szervesanyag

tartalmának oldhatóságában végbemenő változások tekintetében objektíven és

egyértelműen összehasonlíthatóvá válik. Az általam alkotott oldhatósági index (SLI-

solubility index) a kémiai oxigénigény mérésén alapul, amelynek módját a KOI

meghatározás leírásánál részleteztem. Az index számítása során figyelembe vettem az

iszapminta kezdeti szervesanyag oldhatóságát (SCOD/TCOD)0 , illetve ezen paraméter-

aránynak a kezelés utáni értékét (SCOD/TCOD)t.


____________________________________________________________________

78

Viszonyítási alapként az adott minta esetében elérhető maximális szervesanyag

oldhatóság (SCOD/TCOD)max értékét választottam. Ennek meghatározására – az elfogadott

standard módszer hiánya miatt - a szakirodalomban található, és több tudományos

munkában felhasznált módszert alkalmaztam (Eskicioglu et al., 2008b), azonban ebben, a

különböző iszaptípus miatt, a hőmérséklet, lúgadagolási arány nem egységes.

Az általam vizsgált iszapok esetében, az előkísérleteim eredményei alapján, a

maximális oldhatóság az iszapminta tömegére vonatkozóan 10-szeres, lúgos - pH 12 -

kémhatású nátrium-hidroxid oldattal történő hígítást követő 10 órás, 60˚C-os hőntartás után

mérhető. Az oldhatósági indexet mindezek figyelembevételével a következő összefüggéssel

határoztam meg:

][

TCODSCOD

TCODSCOD

TCODSCOD

TCODSCOD

SLI

0max

0t −−−−

−−−−

−−−−

==== [31]

A biológiai bonthatóság változását jellemző paraméterek tekintetében a szakirodalom a

biokémiai oxigénigényt, illetve az anaerob fermentáció egyes paramétereit (képződő biogáz

térfogata, illetve folyamatos fermentáció esetén a hidraulikus tartózkodási idő változása, a

szervesanyag eltávolítás hatásfoka) határozza meg. A kezelések alkalmazása esetében

azonban figyelembe kell venni, hogy az eltérő eredet és összetétel következtében

önmagukban ezek a paraméterek nem alkalmasak a kezelések hatékonyság-vizsgálatára.

A standardizált mérési metódusokkal meghatározható nem-specifikus

szervesanyagterhelési paraméterek (BOI, KOI) felhasználásával definiáltam a

biodegradálhatósági indexet (BDI-biodegradation index), amelynek értéke megmutatja,

hogy a kezelések hatására a vízoldható formában lévő, vagy került szervesanyagokon belül

az aerob módon lebontható vegyületcsoportok milyen arányban növekednek.

A BDI számítása során a kezeletlen iszap kezdeti és t kezelési idő után mért biokémiai

oxigénigény (BOD) és vízoldható szervesanyag tartalmának (SCOD) változását

hasonlítottam a maximálisan vízoldhatóvá tett szervesanyagtartalmú iszap BOD és SCOD

arányának kezdeti értékhez viszonyított arányához.


____________________________________________________________________

79

][

SCODBOD

SCODBOD

SCODBOD

SCODBOD

BDI

0max

0t −−−−

−−−−

−−−−

==== [32]

A kezelések szennyvíziszapokra gyakorolt hatásának jellemzésére alkotott

paraméterek, valamint a mérési és mintaelőkészítési módszerek összefüggését a következő

folyamatábrán szemléltetem.

19. ábra. A mért szervesanyag mutatók és a kezelések hatékonyságának jellemzésére

alkotott paraméterek kapcsolata és meghatározása


____________________________________________________________________

80

5.3.2 Mikrohullámú kezelés műveleti paramétereinek optimálása

A kémiai-, illetve biokémiai oxigénigény és ezek arányának változásaira vonatkozó

kísérleti eredményeim alapján a modellezés és a folyamatparaméterek optimálása esetében

végzett kísérleteimhez a fajlagos mikrohullámú teljesítmény-intenzitás (MWPL) szintjeit

0,5-2,75-5 Wg-1 értéknek választottam. A fajlagos teljesítményszintek változtatása miatt, a

sugárzási idő helyett, az anyaggal a mikrohullámú kezelés során közölt fajlagos energia

(IMWE) paramétert választottam, amelyet 90 – 570 -1050 kJg-1 értékek beállításával

változtattam húsipari eredetű iszap alapanyag esetében. Az elsősorban a mikrohullámú

szárítási eljárások vizsgálatával foglalkozó szakirodalmi közlemények eredményei alapján

vizsgáltam továbbá a szakaszos üzem esetén a százalékos kezelési idő (I) hatását is. A

műveleti paramétereket, illetve az oldhatósági index (SLI) és a biodegradálhatósági index

(BDI) értékeit a 8. táblázat tartalmazza.

8. táblázat. Kísérleti paraméterek és eredmények táblázata

IMWE MWPL I Sorrend

[kJ] [W g-1] [%]

SLI [-]

BDI [-]

N1 5 90 0,5 40 0,303 0,47 N2 18 1050 0,5 100 0,734 0,629 N3 14 90 5 40 0,175 0,487 N4 17 1050 5 100 0,907 0,602 N5 8 90 2,75 70 0,253 0,533 N6 7 1050 2,75 70 0,903 0,66 N7 16 570 0,5 40 0,751 0,85 N8 20 570 5 100 0,793 0,858 N9 9 570 2,75 70 0,8 0,892

N10 11 570 2,75 40 0,798 0,89 N11 4 570 2,75 100 0,803 0,891 N12 15 90 0,5 100 0,297 0,472 N13 10 1050 0,5 40 0,745 0,643 N14 21 90 5 40 0,186 0,488 N15 6 1050 5 40 0,899 0,614 N16 22 90 2,75 100 0,267 0,525 N17 19 1050 2,75 70 0,902 0,667 N18 3 570 0,5 40 0,776 0,855 N19 13 570 5 100 0,809 0,845 N20 12 570 2,75 70 0,803 0,891 N21 2 570 2,75 70 0,801 0,892 N22 1 570 2,75 70 0,807 0,894


____________________________________________________________________

81

A kísérlettervezéshez kompozit kísérlettervet, a matematikai modellalkotáshoz és

optimáláshoz többszörös lineáris regressziót (MLR) és válaszfelület elemzési módszert

(RSM) választottam, amelyekhez MODDE 8.0 (Umetrics, Sweden) statisztikai szoftvert

használtam. A kísérleti sorrendet a mérések elvégzésekor adódó hibák valószínűségének

csökkentése érdekében randomizáltam.

Az egyes műveleti paraméterek, illetve ezek interakcióinak hatását az oldhatósági

indexre (SLI) a 20. ábrán szemléltetem. A paraméterek hatása a grafikus ábrázolás alapján

akkor tekinthető szignifikánsnak, ha azok, vagyok azok interakcióinak

konfidenciaintervalluma nem foglalja magában a zérus értéket.

20. ábra. A műveleti paraméterek hatása az SLI értékére

A kommunális iszapok mikrohullámú kezelésekor Yu et al. (2010) a kezelések során

közölt energia növelésének az iszapszerkezet felbomlására gyakorolt szignifikáns hatásáról

számolnak be. Azonban kombinált mikrohullámú-lúgos kezelése kapcsán Yang et al.

(2013) megállapították, hogy a pH mellett a fajlagos térfogati energiabevitel is hatást

gyakorol az iszaprészecskék dezintegrálódásával összefüggő vízoldható

szervesanyagtartalom változására, azonban a közölt energia növelése egy határon túl már

nem okoz további oldhatósági változást.


____________________________________________________________________

82

A húsipari eredetű szennyvíziszap kezelésekor kapott saját eredményeim alapján

megállapítható, hogy a mikrohullámú iszapkondicionálás során az anyaggal közölt energia

(IMWE), illetve a fajlagos teljesítmény-intenzitás (MWPL), illetve a két vizsgált műveleti

paraméter kölcsönhatása egyaránt szignifikáns hatással van az oldhatósági index (SLI)

értékére 95%-os megbízhatósági szinten.

A szakaszos üzemű kezelések esetében egy adott időintevallumon belül a

sugárzási/sugárzásmentes intervallumok változása, a vizsgált tartományon belül nem

gyakorolt jelentős hatást az oldhatóság mértékére. A nem szignifikáns tényezőket

figyelmen kívül hagyva, az újbóli illesztés a következő [33] másodfokú polinomot

eredményezte, ahol x1 jelöli az IMWE, x2 pedig az MWPL paramétert.

A kísérleti paraméterek részletezésénél leírt MWPL (0,5-5 Wg-1) és IMWE (90-1050

kJg-1) tartományban érvényes modell mindkét változóra tartalmazott lineáris és négyzetes

tagot, illetve lineáris interakciót a két változó között.

22

212121 x036,0x237,0xx0706,0x014,0x301,08085,0SLI ++++−−−−++++++++++++==== [33]

Az alkotott modell validitását variancianalízissel (ANOVA) vizsgáltam, amelynek az

eredményét a 9. táblázatban foglaltam össze.

9. táblázat. Varianciaanalízis eredménye az SLI esetében meghatározott modellre

DF SS MS F Fkrit p SD

Alapadatok 21 1,4700 0,0070 0,2646

Modellel becsült 5 1,4657 0,2930 1012,11 2,85 0,0001 0,5414

Maradvány 16 0,0046 0,0003 0,0170

Illeszkedési hiba 3 0,0039 0,0013 22,16 3,41 0,38 0,0359

Hiba 13 0,0007 0,0001 0,0076

DF: szabadsági fok, SS: négyzetösszeg, MS: variancia, SD: standard deviation

(tapasztalati szórás), Fkrit: 95% megbízhatósági szintre számított F érték, SD: standard

eltérés


____________________________________________________________________

83

A polinomra illesztett válaszfelület kétdimenziós metszetét a 21. ábrán szemléltetem. A

számított korrelációs együttható négyzete megfelelő (R2=0,943). Az illeszkedés ’jósági’

(pontossági) mutatója (goodness of fit) szintén megfelelőnek tekinthető (Q2=0,921).

A válaszfelület elemzése alapján megállapítható, hogy a szervesanyagok oldhatósága

szempontjából a mikrohullámú kezelés során az anyaggal közölt fajlagos energiát (IMWE)

tekintve a 650 kJg-1 - 1050 kJg-1 tartomány, a fajlagos teljesítmény-intenzitást (MWPL)

tekintve a 2 Wg-1 - 5 Wg-1 paramétertartomány tekinthető optimálisnak.

21. ábra. Az SLI esetében kapott válaszfelület 2D metszete

A nem szigifikáns hatású változókat, illetve kölcsönhatásokat mellőzve az illesztést a

biodegradálhatósági index (BDI) esetében elvégezve, a megadott MWPL= 0,5-5 Wg-1;

illetve IMWE=90-1050 kJg-1 tartományban érvényes [34] összefüggést kaptam (a változók

kódolása a [33] egyenletnek megfelelő).

22

2121 x043,0x298,0x002,0x071,08921,0BDI ++++−−−−−−−−++++==== [34]

A [34] modell érvényességi tartomány: MWPL= 0,5-5 Wg-1; illetve IMWE=90-1050

kJg-1.

A modell esetében elvégzett variancianalízis eredményét a 10. táblázatban adtam meg

(a jelölések megegyeznek a 9. táblázatban alkalmazottal).


____________________________________________________________________

84

10. táblázat. Varianciaanalízis eredménye az BDI esetében


Alapadatok 20 0,5941 0,0070 0,1682

Modellel becsült 5 0,5936 0,2930 323,50 2,90 0,0001 0,3446

Maradvány 15 0,0004 0,0003 0,0052

Illeszkedési hiba 3 0,0039 0,0000 11,31 3,49 0,314 0,0158

Hiba 12 0,0007 0,0003 0,0050

A korrelációs együttható, illetve a jósági tényező értéke alapján a modell illeszkedése

megfelelő (R2=0,917; Q2=0,909). Az SLI kontrollparamétertől eltérően a BDI esetében

megállapítható, hogy bár annak értékét a két vizsgált műveleti paraméter az IMWE és az

MWPL szintén befolyásolja, azonban ezek egy bizonyos határértéken túli további növelés

már negatívan hat a biológiai lebonthatóságra.

22. ábra. Az BDI esetében kapott válaszfelület 2D metszete


____________________________________________________________________

85

A mikrohulámú energiaközléssel az iszapszerkezet stabilitását biztosítő EPS frakció,

továbbá az iszappelyhek hatékony felbomlását követően a szervesanyagok feltáródnak, a

koncentrációjuk az iszapvízben növekszik. Azonban a magas energiájú és/vagy nagy

teljesítményű mikrohullámú kezelések következtében olyan szerkezeti és kémiai változások

következhetnek be, amelyek a szervesanyagoknak az aerob mikrobiális lebontási

folyamatokban való hasznosulásának hetékonyságát már rontják.

A válaszfelület kétdimenziós metszete (22. ábra) alapján az aerob biológiai

lebonthatóság szempontjából legkedvezőbb paramétertartománynak a fajlagosan közölt

energia (IMWE) szempontjából az 550 kJg-1 - 700 kJg-1, a fajlagos mikrohullámú

teljesítmény-intenzitás szempontjából az 1,75 Wg-1 - 3,5 Wg-1 tekinthető.

T3: Az aerob biológiai lebonthatóság jellemzésére fejlesztett

biodegradálhatósági index (BDI), és a szervesanyagok vizes fázisban

mérhető koncentrációváltozás jellemzésére fejlesztett oldhatósági index

(SLI) alkalmas a mikrohullámú iszapkezelés műveleti paraméterei

hatásának objektív vizsgálatára, és azok optimálására.


____________________________________________________________________

86

5.4 A mikrohullámú előkezelés hatása az anaerob fermentációra

A mikrohullámú energiaközlésen alapuló iszap előkezelések során a kutatások a

szervesanyagfrakción belül, mind a szénhidrátfrakciók, mind a fehérjék és lipidek

oldhatóságának növekedését írják le. Az iszap típusától és a kezelési körülményektől

függően az egyes vegyületcsoportok oldhatósági növekménye eltérhet (Appels et al., 2012;

Yu et al., 2009). A szénhidrátok és fehérjék, a mikrobiális lebontást lassító iszapszerkezet

roncsolás, majd a termikus hatások következtében lejátszódó részleges hidrolízisük miatt, a

fajlagosan képződő biogáz térfogatának növekedése mellett a metántermelési

folyamatokban a szubsztrát hozzáférést is felgyorsítják. A lipidek sejtmembránokból való

felszabadulása, azok magas fajlagos elméleti biogázkihozatali mutatója miatt, elsősorban

nem a lebontási folyamat időszükségletére, hanem a kitermelési mutatókra vannak hatással.

5.4.1 Az illékony komponensek változása

Az anaerob folyamatokban keletkező biogáz mennyiségét, illetve a lebontási ütemet az

egyes komponensek illékonysága is befolyásolja. Az előkezeléseket követően

meghatároztam az iszapminták szárazanyagtartalmán (TS) belül az illékonnyá tehető

vegyületek (VS) százalékos arányát is (23. ábra).

Tejipari iszap

0

10

20

30

40

0 10 20 30 40 50


VS/T

S [%

]

0.5 W/g 1 W/g1.5 W/g 2.5 W/g3.5 W/g 5 W/g

23. ábra. Az illékony vegyületek százalékos aránya a szárazanyagtartalmon belül tejipari

iszapnál


____________________________________________________________________

87

A termikus, és ezen belül a mikrohullámú előkezelési eljárásoknak az illékonyság

növekedését okozó hatásairól kommunális eredetű iszapok esetében Dogan and Sanin

(2009) már beszámoltak, azonban a mikrohullámú kezelés önálló alkalmazásakor magas

véghőmérséklet elérésekor az illékony komponensek kismértékű csökkenését is leírták

(Eskicioglu et al., 2008b).

Az élelmiszeripari iszapok esetében a VS/TS arány változása mindkét iszaptípus

esetében azonos tendenciát mutatott a BOI/KOI arány változásával (lsd. 13. ábra). A magas

teljesítmény-intenzitás (3,5 ill. 5 Wg-1) hosszú kezelési idővel párosulva az iszap

szárazanyagtartalmán belül az illékony vegyületek arányának csökkenését okozta. A VS/TS

arány esetében a teljesítmény-intenzitás változásának hatása a húsipari iszap esetében

kifejezettebb volt (24. ábra).

Húsipari iszap

0

10

20

30

40

0 10 20 30 40 50


VS

/TS

[%

]

0.5 W/g 1 W/g 1.5 W/g

2.5 W/g 3.5 W/g 5 W/g

24. ábra. VS/TS változása húsipari iszap esetében


____________________________________________________________________

88

5.4.2 Mezofil rothasztási tesztek eredményei

A mikrohullámú energiaközlés a konzervipari eredetű, magas keményítőtartalmú

iszapok előkezelése során is előnyösnek bizonyult a biogáz mennyiségének, és a

fermentáció kezdeti szakaszában a biogázképződési sebesség növelésének a szempontjából

is. A kontrollként végzett ózonkezeléshez képest a savas kémhatású anyag mikrohullámú

kezelését követően a biológiai lebonthatósággal arányos BOI/KOI arány azonos volt, míg

az anaerob fermentációban képződő biogáz mennyiséget tekintve a mikrohullám

eredményesebbnek bizonyult (25. ábra).

0 20 40 60 80 100 120 140

Kont

Ózon 30p

Ózon 60p

MW-250W-5

Ózon + MW-250W-5

Biogáz termelődés [mL g-1]

25. ábra. Keményítőtartalmú konzervipari iszap biogáztermelése

A biogázkihozatal mellett a mikrohullámú eljárás legfőbb előnyeként azonban a

biogáztermelődés kezdeti sebességének növelése emelhető ki. Az ózonkezeléssel elérhető

napi 7,4 [mLg-1] biogázképződési ütem, a savas-mikrohullámú előkezelés alkalmazásával

25 [mLg-1] fölé növekedett.

A tejipari és húsipari iszapok három párhuzamosban végzett mezofil

hőmérséklettartományú rothaszási tesztjeinek eredményei alapján megállapítható volt, hogy

az egységnyi tömegű iszapra számított fajlagos biogázproduktum a kezeletlen mintához

képest a mikrohullámú előkezelésekkel növelhető volt, és a mikrohullámmal kezelt

iszapminták biogázkihozatali mutatójának növekménye jelentősen meghaladta a

hagyományos termikus előkezelésekkel elérhetőeket (26. ábra).


____________________________________________________________________

89

Tejipari iszap

0

100

200

300

400

500

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

Rothasztási idő [nap]

Bio

gáz

term

elő

dés [m

L g

-1]

Kont. CH90

MW-1-10 MW-1-30

MW-1.5-20 MW-2-15

MW-2-25 MW-5-10

MW-5-30

26. ábra. Tejipari iszap kummulatív biogáztermelési görbéi

Az aerob lebontás jellemzésére kifejleszett biodegradálhatósági index esetében

leírtaktól eltérően, a lebontást végző mikróbaközösségek összetételének, illetve az egyes

lebontási folyamatokban lejátszódó biokémiai folyamatok különbözősége, valamint a

meghatározás során alkalmazott lebontási idő jelentősnek tekinthető eltérése miatt, az

anaerob lebonthatóság mértékére jellemző biogáz térfogat, a kummulatív biogáztermelési

görbék alapján, az MWPL növelésével nem mutatott csökkenő tendenciát. A BDI

szempontjából optimális teljesítmény-intenzitásnál intenzívebb előkezelést alkalmazva a

fajlagos biogázkihozatali mutató tovább növekedett. Az élelmiszeripari iszapoknál a

mikrohullámú teljesítmény-intenzitás növelésének a biogázfermentációra gyakorolt előnyös

hatása a szakirodalomban a kommunális iszapok esetében leírt egyes tapasztalatoknak

ellentmond (Eskicioglu et al., 2007), míg más kutatási eredmények megállapításaival

egyezik (Toreci et al., 2009; Mudhoo et al., 2012).

Az időegység alatti biogázproduktumot, vagyis a biogázképződés ütemét tekintve a

mikrohullámmal előkezelt iszap rothaszthatósága a kontrollmintához képest jobb volt.

Mind az anaerob lebontási folyamat során elérhető maximális biogázképződési sebességet,

mind az anaerob elbontáshoz szükséges időtartamot, mind a biogázképződés

megindulásához szükséges kezdeti adaptációs időt tekintve a mikrohullámú kezelés


____________________________________________________________________

90

előnyösebbnek bizonyult a termikus előkezeléshez képest. Az 5 Wg-1 fajlagos teljesítmény-

intenzitással 10 és 30 perc időtartamig kezelt húsipari iszap kummulatív biogázproduktuma

között nem mutatkozott különbség, azonban a gáztermelődési ütemet tekintve a kezelési idő

növelése a maximális gáztermelődési sebesség további növekedése, és a lebontási folyamat

időszükségletének csökkentése miatt előnyösebbnek bizonyult (27. ábra).

Húsipari iszap

0

8

16

24

32

40

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29Rothasztási idő [nap]

Nap

i gáz

term

elődés

[m

L g

-1 n

ap-1]

Kont. CH90

MW-1-10 MW-1-30

MW-1.5-20 MW-2-15

MW-2-25 MW-5-10

MW-5-30

27. ábra. Húsipari iszap biogáztermelődési üteme

A kétféle vizsgált szennyvíziszap esetében a 11. összefoglaló táblázatban megadtam az

egyes előkezelések után rothasztott iszapok anaerob fermentációs hatékonysága

szempontjából meghatározó paramétereket. A tömegegységre vonatkoztatott, fajlagos

biogázkihozatali mutató a kummulatív görbék telítési értékeként, illetve a napi lebomlási

ütemet leíró gáztermelődési sebességgörbék integrálásával kapható meg. Emellett

szerepeltetem a biogázképződés megindulásához szükséges, az anaerob lebontás teljes

folyamatidejét nagyban befolyásoló kezdeti LAG periódus hosszát is, amely a rothasztási

tesztek mérési eredményéből volt meghatározható. A kummulatív biogázkihozatali, vagy

másnéven biogáztermelődési görbék a kezdeti adaptációs szakasz után egy lienáris felfutási

szakasszal jellemezhetőek. A különböző előkezeléseket követően tapasztalt eltérő

adaptációs periódus, és a telítési szakaszok kezelések okozta eltolódásai miatt valamennyi


____________________________________________________________________

91

esetben a görbék lineáris szakaszainak öt napos periódusára egyeneseket illesztettem,

amelyek iránytangense megadja az átlagos napi gáztermelődési sebességet.

A biogázkihozatal 50%-ának eléréséhez (Y=0,5) tartozó időszükségletet, amely egyben

a szervesanyagok maximális kirothaszthatóságának 50%-ához szükséges időtartam is, a

napi gáztermelődési görbékből számítottam. Amennyiben azok normál eloszlásúnak voltak

tekinthetőek a mediánhoz tartozó időpontot az MS Excel Solver bővítményével határoztam

meg, amely egyben a maximális gáztermelődési sebességhez tartozó időpont, vagyis a

gáztermelődési „haranggörbék” maximuma. Amennyiben statiszikai módszerekkel

kimutathatóan a mérési adatok nem követték a normál eloszlást, akkor a mérési

időpontokhoz tartozó értékek ismeretében manuálisan határoztam meg a paramétert.

11. táblázat. A biogázfermentációs kísérletek összefoglaló táblázata

Tejipari iszap Húsipari iszap

LAG szakasz

[nap]

Átl. gázterm [mL/nap]

Biogáz kihoz.

[mL g-1]

Roth. idő (Y=0.5) [nap]

Kezelés típusa LAG

szakasz [nap]

Átl. gázterm [mL/nap]

Biogáz kihoz.

[mL g-1]

Roth. idő (Y=0.5) [nap]

7,2 0,883 23,2 16,63 Kont. 4,5 7,682 206,3 15,18

6,4 1,872 68,7 14,42 CH-80 4,2 8,291 224,6 13,03

5,2 2,074 78,1 13,48 CH-90 3,6 8,342 293,9 11,98

5,4 3,179 89,7 13,96 MW-1-10 3,2 9,407 289 14,53

4,6 7,315 192,1 13,26 MW-1-30 2,6 13,374 345,9 12,68

3,8 13,086 351,6 12,43 MW-1-50 2,4 15,105 367,2 12,18

4,2 8,377 284,3 13,01 MW-1.5-20 2,4 16,428 342,5 12,23

3,4 13,388 285,1 11,89 MW-2-15 2 17,523 385,6 11,76

3,2 15,819 386,8 11,39 MW-2-25 1,6 20,618 411,1 11,47

2 15,917 429,2 10,78 MW-5-10 1,8 20,987 450,7 10,81

1,4 21,841 432,5 7,85 MW-5-30 1,2 22,017 446,5 9,36

Az anaerob fermentáció szempontjából leghatékonyabbnak tekinthető mikrohullámú

előkezelés alkalmazásával a tejipari iszap esetében, a kezeletlen iszaphoz képest, közel 19-

szeres, húsipari iszapnál kb. 1,2-szeres térfogatú biogáz nyerhető. A tejipari iszap

rothaszthatósága még az aerob lebonthatóságnál is nagyobb mértékben gátoltnak tekinthető

a húsipari iszaphoz viszonyítva, ennek megfelelően a tejipari iszap mikrohullámú

előkezelése méginkább indokolt.


____________________________________________________________________

92

A maximális biogázkihozatal 50%-ának eléréséhez szükséges időt figyelembe véve a

fajlagos teljesítmény-intenzitást magas értéknek választva érhető el a termikus

előkezelésekhez képest kedvezőbb eredmény. Az alacsony teljesítmény-intenzitású

kezelések a termikus kezelésekhez képest nem tekinthetőek előnyösebbnek, rövidebb idejű

kezeléseket alkalmazva a biogáz kihozatal is közel azonos. A tényleges biogáztermelődés

kezdetéhez szükséges idő a mikrohullámú előkezeléssel tejipari iszapnál akár 80%-al,

húsipari iszapnál kb. 75%-al csökkenthető. A LAG fázisnak a mikrohullámú kezelés

hatására bekövetkező kb. 40%-os csökkenését kommunális iszapok esetében is tapasztalták

(Mudhoo et al., 2012).

Szintén kommunális eredetű, biológiai tisztítóból elvezetett fölösiszapok esetében

ismert, hogy a mikrohullámú kezelési teljesítmény hatást gyakorolhat a gázképződési

sebességre (Kennedy et al., 2007). Az élelmiszeripari iszapok esetében a saját kísérleti

eredményeimből megállapítottam, hogy az átlagos gáztermelődési sebességnek a

teljesítményszinttől és a kezelési időtől való függését az iszap típusa is befolyásolja. Míg a

húsipari iszap esetében az 1,5 Wg-1 20 perces kezelés az 1 Wg-1 50 perces kezeléshez

képest a gáztermelődési ütemet fokozza, addig tejipari iszap kezelésekor ugyanezen

kezelési körülmények összehasonlításakor jelentős – kb. 64%-os – csökkenést tapasztaltam.

Az anyaggal közölt fajlagos energiát tekintve az 1,5 Wg-1 20 perces és a 2 Wg-1 15

perces kezelés azonosnak tekinthető, azonban a 11. táblázat alapján látható, hogy a húsipari

iszapnál a biogázkitermelési mutatóban kb 12%-os, míg a tejipari iszap esetén pedig a

gáztermelődési sebességben közel 60%-os különbség van. A biogáz kihozatali eredmények

esetében azonban meg kell jegyezni, hogy ha a képződő biogáz térfogatát nem a

rothasztásra kerülő minta szárazanyagtartalmára, hanem az egységnyi lebontott

szervesanyagra vonatkoztatjuk, akkor az anaerob fermentációban a szervesanyag

hasznosításra vonatkozóan nyerhetünk információkat.

A két mintánál a KOI egységben mért szervesanyag fogyasztásra eső gáztérfogatot

kiszámítva látható, hogy míg a húsipari iszap esetében az anyaggal közölt energia alapján

azonosnak tekinthető kezelések a szervesanyagfogyásra eső biogáz mennyiség alapján

azonos hatásfokkal fermentálhatóak, addig a tejipari iszapot mgasabb teljesítményszinten

kezelve a szervesanyag biogázzá való transzformációjának hatásfoka romlik (28. ábra).


____________________________________________________________________

93

0

200

400

600

800

1000

1200

MW-1,5-20 MW-2-15

Faj

lag

os

gáz

term

elés

mL/g(sza) mL/g(KOI)

0

200

400

600

800

1000

MW-1,5-20 MW-2-15

Faj

lag

os

gáz

term

elés

mL/g(sza) mL/g(KOI)

a) b)

28. ábra. Húsipari (a) és tejipari (b) iszap biogázkihozatali mutatói

A közölt energiát tekintve szintén ekvivalens 2 Wg-1 25 perces és 5 Wg-1 10 perces

kezelések esetében a gáztermelődési sebességek közötti különség csekély, azonban a

magasabb teljesítmény-intenzitás alkalmazásakor a tejipari iszapnál 11%-os biogáztöbblet

volt.

A gáztermelődési sebesség a szervesanyagok mikroorganizmusok számára biztosított

hozzéférhetőségével is összefügg. A szubsztrát-hasznosításbeli különbségek a fermentáció

kezdeti szakaszában az élőcsíraszám változással, indirekt módon, is nyomonkövethetőek. A

kezelések után meghatározott csíraszám alapján látható, hogy az egyes előkezelések az

iszap eredeti élőmikroorganizmus számát milyen mértékben képesek elpusztítani.

Az oltóiszap adagolást megelőző csíraszámcsökkenés az adagolt anaerob

mikroorganizmusokkal a szubsztrátért való kezdeti versenyt csökkenti. Az élőcsíraszám

változási dinamikája, azonos körülmények és oltóiszap alkalmazásakor, a szubsztrátként

hasznosítható vegyületek koncentrációja és oldhatósági viszonyai által is meghatározott. A

kezelések után, illetve a beoltást követő 5-10 napos idő intervallumban a csíraszám

változása, valamint a gáztermelődés változási dinamikája azonos tendenciát mutatott a

vizsgált iszap esetében (29. ábra).


____________________________________________________________________

94

Kez. utánBeolt.5 nap10 nap15 nap20 nap

Kon

t

CH

-90

MW

-1-1

0

MW

-1-3

0

MW

-1-5

0

MW

-2-2

5

MW

-5-1

0

MW

-5-3

0

1.E+001.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

1.E+06

1.E+07

1.E+08

1.E+09

1.E+10

1.E+11

1.E+12

1.E+13

1.E+14É

lőcsírasz

ám

[CFU

/mL]

Kont CH-90 MW-1-10 MW-1-30MW-1-50 MW-2-25 MW-5-10 MW-5-30

29. ábra. Az élőcsíraszám változása húsipari iszap rothasztásakor

Az iszapból képződő biogáz teljes térfogatának ismerete mellett, a további energetikai

hasznosítás szempontjából a metán, mint éghető és magas fűtőértékű komponens,

arányának ismerete is lényeges tényező az egyes előkezelések hatékonyságának megítélése

szempontjából. A mikrohullámú iszapkondicionálás a kommunális iszapok esetében a

kezeletlen alapanyaghoz képest növeli az egységnyi rothasztott iszap tömegre

vonatkoztatott metán kihozatali mutatót (Kuglarz et al., 2013).

Emellet meg kell jegyezni, hogy a szervesanyag feltárás szempontjából hatékonyabbnak

tekinthető oxidációs eljárásokkal kombinált mikrohullámú kezelések egyik legfőbb

hátránya, hogy a fajlagos metántermelődés alacsonyabb, mint a mikrohullám önálló

előkezelésként való alkalmazásakor (Eskicioglu et al., 2008a). A lúgos-termikus

kezelésekkel összehasonlítva a metánprodukció szempontjából a mikrohullámú kezelés

közel azonos hatékonyságú, a kezeletlen iszaphoz viszonyítva kb. 11%-os növekményt

találtak, az erősen lúgos kémhatású mikrohullámú hevítéssel a képződő metán mennyisége

kb. 20%-al növelhető (Dogan and Sanin, 2009).


____________________________________________________________________

95

Alacsony szárazanyagtartalmú, kommunális eredetű iszapok mikrohullámú

kondicionálása esetében a kezelések során alkalmazott mikrohullámú teljesítmény hatását

Kuglarz et al. (2013) nem találták szignifikánsnak, amellett, hogy a mikrohullámú

előkezeléssel a kezeletlen iszaphoz képest kb. 40%-al nőtt a metánkitermelés, és az azonos

hőmérsékleten kivitelezett hagyományos hőkezelés a mikrohullámú kezeléshez képest kb.

50%-al alacsonyabb kihozatali mutatót eredményezett.

Mindezeket figyelembe véve, az élelmiszeripari eredetű iszapok esetében is

szükségesnek tartottam a biogázon belül a metán komponens arányának vizsgálatát is. A

mérési eredményeim a vizsgált élelmiszeripari iszapok esetében is igazolták a

mikrohullámnak az anaerob fermentáció alatti metánképződésre gyakorolt előnyös hatását,

amelnyek mértéke meghaladta a kontroll kezelésként alkalmazott termikus kezelések

hatásfokát.

0 10 20 30 40 50 60 70

Kont.

CH-80

CH-90

MW-1-10

MW-1-30

MW-1,5-20

MW-2-15

MW-5-10

MW-5-30

Metántartalom [%]

Tejipari Húsipari

30. ábra. A biogáz metántartalmának változásai


____________________________________________________________________

96

Mind a tejipari, mind a húsipari iszapból képződő biogáz a 30 napos fermentációs

időszak végén kb. 48%-os metántartalommal rendelkezett, ami a 2Wg-1, illetve ennél

nagyobb teljesítmény-intenzitású előkezeléssel 60% fölé volt növelhető (30. ábra).

A teljesítmény-intenzitás 2Wg-1 értéket meghaladó tartománya, illetve az adott

teljesítményszinten a kezelési idő 10 perc fölé növelése a fajlagos biogázprodukciót

növelte, azonban a metán részarányának változása az azonos szórások feltételének

teljesülése miatt alkalmazott kétmintás t-próba eredményei alapján már nem tekinthető

szignifikánsnak.

T4: A mikrohullámú energiaközlésen alapuló előkezelés az anaerob

fermenteció során a biogázkitermelési mutatót az alkalmazott fajlagos

kezelési teljesítmény-intenzitástól függő mértékben javítja, továbbá a

képződő biogáz metán tartalmát növeli élelmiszeripari iszapok esetében.

T5: A mikrohullámú iszapkondicionálási eljárás az élelmiszeripari

iszapok anaerob fermentációs folyamatban való hasznosítása során

alkalmas a rothasztási időszükséglet hatékony csökkentésére, továbbá az

anaerob lebomlás ütemének felgyorsítása révén a biogáz képződési

sebességének növelésére.


____________________________________________________________________

97

5.4.3 A rothasztást megelőző mikrohullámú kezelések energia-hasznosulási mutatói

A mikrohullámú energiaközlés az anaerob fermentációs folyamatban képződő biogáz

térfogata, és ezen belül a metán komponens aránya szempontjából a vizsgált élelmiszeripari

iszapok esetében előnyösnek bizonyult. Azonban a mikrohullámú eljárások

hatékonyságának elemzésekor figyelelmbe kell venni a folyamat során befektetett

energiának a rothaszthatóság szempontjából értelmezett megtérülését is.

Az anaerob fermentáció előtt alkalmazott mikrohullámú kezelések

energihasznosulásának jellemzését a [35] összefüggés felhasználásával végeztem.

[ ]1)()(

4 −⋅−⋅

=∆ gJm

PVqE

iszap

kezmagCHégés τ [35]

A kezelések alkalmazásának betudható „nettó fajlagos energia növekményt„ (∆E) az

azok hatására mérhető többlet biogáz energiatartalmának, illetve a kezelés során beállított

magnetronteljesítmény (Pmag) és idő (τ) szorzatának különbségeként értelmeztem,

egységnyi tömegű kezelt anyagra (miszap) vonatkoztatva.

A szakirodalom által gyakran használt átlagos fajlagos biogáz energiatartalom helyett, a

saját kísérleteimben igazolt változó metán arány miatt, a metán térfogatának (VCH4) és

égésghőjének (qégés) szorzataként számítottam azt.

A 8. táblázatban leírt műveleti paraméterek megfelelő szintjeinek beállításával kezelt,

majd mezofil hőmérséklettartomány biztosítása mellet rothasztott iszap minták esetében

meghatározott ∆E értékek felhasználásával az SLI és BDI paraméterek esetében leírtakkal

azonos módon vizsgáltam az egyes változók hatásának szignifikanciáját, majd a nem

szignifikánsú változók és interakciók mellőzésével a [36] regressziós egyenletet nyertem

(az egyenletben a X1 és X2 változó a [33] összefüggés jelölésével azonos).

[[[[ ]]]]121

22

2121 9.38579.470017.474.23729.2712.326 −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−====∆∆∆∆ gJXXXXXXE [36]

A matematikai modell alapján a ∆E kontrollparaméter esetében is megállapítható volt,

hogy mindkét változó meghatározza a folyamat energiahatékonyságát, illeve azok

kölcsönhatása is befolyásoló erővel bír.


____________________________________________________________________

98

Az alkotott modell érvényességét varianciaanalízissel vizsgáltam, amelynek az

eredményét a 12. táblázat foglalja össze.

12. táblázat. Varianciaanalízis eredménye a ∆E-re vonatkozóan


Alapadatok 18 0,4632 0,0182 0,0995

Modellel

becsült 5 0,3914 0,2317 845,36 3,02 0,0001 0,1532

Maradvány 13 0,0045 0,0010 0,0021

Illeszkedési

hiba 4 0,0032 0,0001 8,26 3,63 0,314 0,0019

Hiba 9 0,0006 0,0002 0,0038

A ∆E paraméter becslésére alkotott modell esetében megállapítható, hogy a modell

korrelációs együtthatója és jósági tényezője rosszabb (R2=0,851; Q2=0,793), mint a SLI és

BDI esetében volt.

A modell felhasználásával alkotott válaszfelület kétdimenziós metszetét (31. ábra)

tekintve azonban megállapítható, hogy a mikrohullámú energiaközlésen alapuló iszap

előkezelés, a szervesanyagok oldhatóságának növelése, az aerob biológiai lebonthatóság

fokozása, illetve az anaerob fermentációs folyamatban képződő biogáz mennyiségének

növelése és a lebontási ütem felgyorsítása mellett, a nagy energiaigény ellenére, a vizsgált

élelmiszeripari iszapok esetében, a műveleti paraméterek megfelelő megválasztásával a

kezelések energiamegtérülési mutatója szempontjából is hatékonynak tekinthető.

A mikrohullámú előkezelés, az annak alkalmazása során az anyaggal közölt energia,

illetve a hatására keletkező biogáztöbblet alapján a 600-750 kJg-1 IMWE, illetve az 2,5-3,0

Wg-1 MWPL paraméter tartományokon belül tekinthető energetikailag a legkedvezőbbnek.


____________________________________________________________________

99

31 ábra. ∆E paraméterre alkotott modell által generált válaszfelület 2D metszete

A viszonylag széles optimum tartományon belül az alkalmazásra javasolható kezelési

paraméterek, illetve paraméter-tartományok megválasztását az esetleges léptéknövelés

során a kezelési kapacitásigény mértéke és ennek fluktuációja, továbbá a teljesítmény-

intenzitás miatt a tényleges hálózati villamos teljesítményigény és a nagyteljesítményű

kezelőberendezések hozzáférhetősége, illetve ezek ára is befolyásolja.

T6: A mikrohullámú iszap kondicionálási eljárás esetében a

biogázproduktum, és annak metántartalma alapján meghatározott

optimális műveleti paramétertartományok nem azonosak az energetikai

szempontú optimálás során meghatározottal. A rothasztást megelező

mikrohullámú előkezelés hatékonyságának elemzésekor az energia-

hasznosulási mutató alkalmazása szükséges.


____________________________________________________________________

100

5.5 Az iszap szervesanyag frakciójában bekövetkező változások és a dielektromos jellemzők összefüggése

A mikrohullámú sugárzás terjedését, valamint a mikrohullámú hőkeltés hatásfokát, a

kezelt anyag dielektromos jellemzői nagymértékben meghatározzák. A dielektromos

jellemzők értékei, illetve ezeknek a mikrohullámú térben, a különböző célú kezelések

közben bekövetkező változásai, az anyag összetételétől és szerkezetétől, a komponensek

kémiai tulajdonságaitól, a változó polaritású elektromágneses sugárzás frekvenciájától,

illetve a sugárzás hatására esetlegesen lejátszódó kémiai és fizikai változásoktól, továbbá a

hőmérséklettől egyaránt függnek (Nelson, 2010). Abban az esetben, ha a mikrohullámú

energiaközlést éppen az anyag szerkezeti tulajdonságainak megváltoztatása, vagy kémiai

reakciók feltételeinek biztosítása céljából alkalmazzák, a dielektromos jellemzők - mint a

dielektromos állandó, vagy a dielektromos veszteségi tényező - értékei nem tekinthetőek

állandónak. Az iszapoknak a magas víztartalmuk mellett, a víz kötésformáit befolyásoló

intracelluláris és intercelluláris szerkezetük is befolyásolja a dielektromos jellemzőik

értékeit. A kezelések hatására az iszappelyhek szerkezetének felbomlásával, illetve a

sejthártyák felszakadásával a szabad víz aránya növekszik. Ezen kívül figyelembe kell

venni, hogy a vízben oldott vegyületek koncentrációváltozásai szintén befolyásolják az

energia elnyelődését, illetve az ezzel összefüggő dielektromos és egyéb anyagi jellemzőket

is.

Mivel az előző fejezetekben bemutatott kísérleti eredményeim igazolták, hogy az

élelmiszeripari iszapokban a mikrohullámú kezelés hatására szerkezeti változások mennek

végbe, vizsgáltam az ezekkel összefüggő szervesanyag oldhatóság (SCOD/TCOD), illetve a

szervesanyagon belüli biológiailag lebontható komponens-arány (BOI/KOI)

paramétereknek a dielektromos jellemzőkre gyakorolt esetelges hatásait, illetve a

paramétercsoportok összefüggéseit is.

Mivel az általam vizsgáltakhoz hasonló szerkezetű és tulajdonságú iszapok dielektromos

jellemzőire vonatkozóan szakirodalmi adatok nem állnak rendelkezésre, a húsipari eredetű

iszappal végzett kísérletsorozat során, azok magas nedvességtartalma miatt, a dielektromos

jellemzők esetében a vízhez hasonló viselkedés volt várható a hőmérséklet változásának

függvényében. A szakirodalmi eredmények alapján a dipólusos vízmolekulák alkotta

rendszerben, az általam is használt frekvenciatartományban, a dielektromos állandó és a


____________________________________________________________________

101

dielektromos veszteségi tényező értéke a hőmérséklet növelésével csökken. Apoláris

molekulákat tartalmazó rendszerkben a veszteségi tényező hőmérsékletfüggése ezzel

ellentétes tendenciával jellemezhető (de los Santos, et al., 2003).

A kísérleteket elvégeztem a rendelkezésemre álló húsipari eredetű szenyvíziszappal

(ISZ1; TS=9,7 m/m%), illetve víztelenített húsipari iszap adagolásával megnövelt

szárazanyagtartalmú iszappal is (ISZ2, TS=14,7 m/m%). A kísérletek során meghatározott

dielektromos állandó (ε’) és a dielektromos veszteségi tényező (ε”) hőmérsékletfüggése az

irodalmi adatokban leírt tendenciákkal nem egyezett. Az eredeti szennyvíziszap (ISZ1)

dielektromos állandója 20-50°C hőmérséklettartományban csökkent, majd kismértékben

emelkedett (32. ábra), míg a dielektromos veszteségi tényező kismértékű csökkenést

követően 30-60°C tartományban nem mutatott szignifikáns változást, majd ezt követően a

hőmérséklet emelkedésével ugrásszerűen növekedett az értéke (33. ábra).

0

20

40

60

80

100

20 30 40 50 60 70 80

Hőmérséklet [°C]

εεεε'

ISZ1 ISZ2

32 ábra. Α dielektromos állandó hőmérsékletfüggése

A magasabb szárazanyagtartalmú iszap esetében az ε’ az 50°C hőmérséklet eléréséig

csökkent, majd az értéke nem változott az iszap további felmelegedésével. A veszteségi

tényező hőmérséklet függvényében való változásának tendenciája egyezett a hígabb

iszapéval.


____________________________________________________________________

102

A dielektromos jellemzők változásának oka az iszap kétlépcsős dezintegrálódására

vezethet vissza. A termikus kezelések során először az iszappelyheket stabilizáló EPS

struktúra bomlik fel, majd egy kritikus hőmérséklet elérésekor az iszapban lévő sejtfalak

felszakadnak, és a sejtnedv kiszabadul (Cho et al., 2012).

0

10

20

30

40

20 30 40 50 60 70 80Hőmérséklet [°C]

εεεε''

ISZ1 ISZ2

33 ábra. Α dielektromos veszteségi tényező hőmérsékletfüggése

Az iszap szerkezeti változásának megfelelően az iszappelyhek dezintegrálódása, illetve

a sejtfalak részleges felszakadásához szükséges hőmérséklet alatt a dielektromos jellemzők

változását elsősorban az iszap eredeti szabad víztartalmának viselkedése határozza meg. Az

iszapmátrixot stabilizáló polimerek felszakadásával az azokhoz kötődő víz felszabadul, a

szabad víz aránya növekszik (Jones at al., 2002).

A polimerek részleges termikus hidrolízise, illetve a sejtfalak felszakadása után a

sejtnedvvel kiszabaduló -mobilissá váló- ionoknak a növekvő arányú szabad

víztartalomban mérhető koncentráció-emelkedése (Ahn et al, 2009) az ionos vezetés

jelentőségének növekedése miatt, a dielektromos veszteségi tényező értékére egyre

nagyobb hatást gyakorol, annak értékét növelve. A sejtmembránok lízise következtében az

azt alkotó foszfolipidek szintén az iszapvízbe koncentrálódnak (Chu et al., 2001), amely a

víztől, és a többi poláris vegyülettől eltérő szerkezet révén, a dielektromos jellemzők

értékét szintén befolyásolja.


____________________________________________________________________

103

A fentiek figyelembevételével, és mivel az iszaprészecskék destruktúrálódása, valamint

a sejtfalak integritásának megszűnése következtében az oldott szervesanyagok

koncentrációja növekszik, a dielektromos paramétereknek a különböző hőmérsékleten

történő mérésére szolgáló mintákból meghatároztam a vizes fázis kémiai oxigénigényét,

illetve számítottam az oldhatósággal összefüggő SCOD/TCOD százalékos arányt is.

SL1 y = 0,2969x + 21,21

R2 = 0,927

SL2y = 0,6896x + 16,84

R2 = 0,902

15

20

25

30

35

0 5 10 15 20 25 30

∆∆∆∆(SCOD/TCOD) [%]

εεεε"

SL1 SL2

34 ábra. Az ε” és az oldható szervesanyag arány változása közötti összefüggés

A dielektromos paraméterek közül a veszteségi tényező (ε”) változása, és a

szervesanyag oldhatóság kontroll mintához viszonyított változása között a vizsgált iszap

esetében, az alkalmazott kísérleti körülmények között, szoros lineáris kapcsolat mutatható

ki (34. ábra). A termikus kezelések következtében a szervesanyagok oldhatóságában

tapasztalható növekedés tehát a dielektomos veszteségi tényező mérésével

nyomonkövethető, ennek értékéből az oldhatósági változások mértéke becsülhetővé válik.

A különböző szárazanyagtartalmú, és ennek következtében eltérő szervesanyag tartalmú

iszapok esetében az ε” és SCOD/TCOD változást tekintve látható, hogy egy adott ε”

értékhez, az iszap típusától, illetve kezdeti összetételi jellemzőitől függően, több

oldhatósági arány is tartozhat. Ezek alapján tehát a dielektromos veszteségi tényező mérése

önmagában nem alkalmas a szervesanyag oldhatóság becslésére, nem lehetséges a kezdeti

analitikai paraméterek mérésének helyettesítése önmagában villamos mérési módszerrel.


____________________________________________________________________

104

Azonban a dielektromos veszteségi tényező folyamatközbeni – vagyis egy adott anyag

kezelése közben történő – meghatározásával az anyag szerkezeti változásának mértékét

becsülhetjük.

Az oldhatósági változások mellett az iszapnak a BOI és KOI értékek hányadosával

jellemzett biológiai bonthatóságának és a dielektromos jellemzőknek a kapcsolatát is

vizsgáltam. A teljes szervesanyagon belül a biológiailag lebontható vegyületek arányának

és a dielektromos veszteségi tényezőnek a kapcsolata, az oldhatóság arányhoz hasonlóan, a

vizsgálat során használt iszap, illetve az alkalmazott hőmérséklettartományban lineárisnak

tekinthető (35. ábra).

SL1 y = 0,8871x + 20,43

R2 = 0,878

SL2 y = 1,142x + 18,76

R2 = 0,907

15

20

25

30

35

40

0 5 10 15 20 25

∆∆∆∆(BOI5/KOI) [%]

εεεε"

SL1 SL2

35 ábra. Az ε” és a biológiailag lebontható szervesanyag arány kapcsolata

A biológiailag lebontható szervesanyagok koncentrációjának a dielektromos veszteségi

tényező mérésével való nyomonkövetése esetében szintén meg kell jegyezni, hogy az ε”

ismerete önmagában nem elegendő a biológiai bonthatóság meghatározására, azonban a

kezelések közbeni változásainak mértékéből becsülhetővé válik a bonthatóság változásának

mértéke, vagyis a kezelések hatékonysága.

Az eddigi eredményeim alapján a dielektromos jellemzők mérésének jelentősége

például a félüzemi, vagy üzemi méretű, folytonos anyagkezelést alkalmazó berendezések

hatékonyságának ellenőrzésében, és folyamatszabályozásában lehet.


____________________________________________________________________

105

A dielektromos jellemzők helyszíni, a kezelővonalba épített - in-line - és a valósidejű

mérést és a kezelési paraméterek szabályozását lehetővé tevő - real-time - mérésével a

kezelések, és a dielektromos paramétereknek a szerepe miatt elsősorban a mikrohullámú

kondicionálási eljárás, biológiai lebonthatóság és energetikai szempontú, a feldolgozott

anyag összetételéhez és szerkezetéhez igazodó, dinamikus optimálása válhat lehetővé.

T7: A mikrohullámú hőkeltés szempontjából meghatározó dielektromos

veszteségi tényező értéke az iszapok szervesanyag oldhatóságával, és

biológiai lebonthatóságával összefüggésben áll. A dielektromos veszteségi

tényezőnek a kezelési folyamatok során bekövetkező változásának

mérésével a biológiai lebonthatóság mértékének növekedése becsülhetővé

válik.


____________________________________________________________________

106

5.6 Költségbecslés és megtérülési idő számítása

A gazdasági számítások esetében a következőket feltételeztem

• Az élelmiszeripari iszap keletkezési helyén működő üzem már rendelkezik az

azt kezelő rothasztóval.

• A rothasztási technológia és műszaki berendezések alkalmasak a mikrohullámú

kezelés okozta biogáz többlet kezelésére.

• A telep jelenleg is rendelkezik elegendő humánerőforrással, amely a

technológiába beépítendő új egységet kezelni képes.

• A mikrohullámú előkezelő a meglévő állapotfelügyeleti, vezérlési-szabályozási

rendszerbe integrálható.

• Az üzem a biogáz előállításával jelenleg is a saját energiaszükségletét fedezi, a

keletkező biogáz többlet még felhasználható a vállalkozás külső

energiaszükségletének csökkentésére, amely a földgáz energiahordozó

helyettesítését jelenti.

• Az üzemben keletkező iszap mennyiségi és minőségi fluktuációja egynapi

időintervallumban nem jelentős.

A mikrohullámú rendszer beruházási (KI) és működtetési költségét (KV) is

nagymértékben meghatározza a kezelőrendszerrel szemben támasztott teljesítményigény. A

teljesítményigény számításánál a saját kísérleti eredményeimet vettem figyelembe. Ebben

az esetben nem a maximális biogázkihozatal fogalmazódik meg feladatként, hanem a

rendszer gazdaságos működtetése.

Ezért az eredményeim közül a beruházási és a működtetési költségek szempontjából is

leginkább meghatározó energetikai számítások eredményeiből indultam ki. Tehát a biogáz

kitermelés és ennek sebessége, a metántartalom változása és a kezelésekhez befektetett

energia figyelembevételével az üzemeltetésnél

• az MWPL-t tekintve 2,5 Wg-1

• az IMWE-t tekintve 200 kJg-1 értékek javasolhatóak.


____________________________________________________________________

107

Az előkezelés alkalmazása nélkül tejipari iszap esetében kb. 23 Lkg-1 fajlagos

biogázkihozatal várható kb. 48%-os metántartalommal. A megadott paraméter tartományok

alkalmazásával végzett előkezeléseket követően a várható biogázkihozatal kb. 390 Lkg-1 kb.

61%-os metántartalommal.

Egy nemzetközi összehasonlításban közepes-, hazai viszonylatban nagy kapacitással

rendelkező tejipari üzem napi nyersiszap produktuma a megkérdezéses felméréseim alapján

kb. 750 kg. Ebből a feltételezett iszapproduktumból (mi), folyamatos működést, és ezen

belül napi 1 órás leállást (tisztítás, karbantartás) feltételezve az iszap tömegárama (qmi)

][1,9][360023][1000750 1−−−−====

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅======== gs

s

gmq

üz

imi ττττ

[37]

Ezek alapján a fajlagos teljesítmény (Pf) szükséglet:

][75,22][5,2][1,9 111 −−−−−−−−−−−− ====⋅⋅⋅⋅====⋅⋅⋅⋅==== WsWggsMWPLqPimf [38]

A kezelőberendezés magnetronteljesítmény-igénye (Pm), a fajlagos teljesítmény (Pf) és

az optimális MWPL és IMWE értékekből számítható tartózkodási idő (τtart)

figyelembevételével

][4,16][16380][720][75,22 1 kWWsWsPP tartfm ========⋅⋅⋅⋅====⋅⋅⋅⋅==== −−−−ττττ [39]

Ami a valós - vagyis nem a disszipálódott - magnetronteljesítményt jelenti, mivel a saját

kísérleteim során meghatározott MWPL erre vonatkozott.

A költségbecsléshez, illetve a megtérülési számításoknál az ipari méretű,

nagyteljesítményű, iszapkezelésre kifejlesztett és forgalmazott mikrohullámú berendezések

hiánya miatt ezek beruházási költségét az építésükhöz szükséges elemek árából (magnetron,

cirkulátor, tápegység, vezérlőegységek, hűtőrendszer, az iszapkezelésre is alkalmassá

tehető applikátorok), illetve ezek tervezési és összeszerelési költségeinek becsléséből

kaptam meg.

Ezek alapján a mikrohullámú kezelő alaprendszer költsége kb. 70000 USD, vagyis az

akutális MNB napi középárfolyamon (2014.07.27)

MFtUSDFtUSDK I 93,22/3,229100000 ====⋅⋅⋅⋅==== [40]


____________________________________________________________________

108

A mikrohullámú iszapkezelő rendszer működtetési költségének kb. 95-97%-át a

villamosenergia felhasználás adja. A villamosenergia felhasználás tényleges költségének

(KV) ipari fogyasztók esetén 90-95%-ban a teljesítménydíjtól (K1) és a fogyasztási díjból

(K2) tevődik össze.

A jelenleg érvényes hatósági díjszabás alapján, a magnetron átlagos villamos

teljestmény transzformációs hatékonyságát tekintve (φ=0,51) a tervezett rendszer esetében

ez a következő havi költségeket eredményezi:

hónapFt

kWkW

FtPK

K m /2048451,0

][4,166371'

1 ====

⋅⋅⋅⋅

====⋅⋅⋅⋅

====ϕϕϕϕ

[41]

Átlagosan 30 napos hónapot, és napi 23 órás üzemidőt feltételeve a fogyasztási díj:

hónapFt

hkWkWh

FtPK

K m /39040051,0

][690][4,161823302'

2 ====

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

====⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

====ϕϕϕϕ

[42]

Ezekből a [41] és [42] összefüggésekből kapott eredmények összegzésével a havi

teljes üzemeltetési költség:

hónapFtKKKV /410900'2

'1 ====++++==== [43]

A feldolgozott iszap havi mennyiségét figyelembevéve a mikrohullámú

iszapkondicionálás fajlagos (iszaptömegre vonatkoztatott) költsége (k) a [44] összefüggés

eredményeképpen kapható meg:

]/[26,18]/[75030

]/[410900

30kgFt

napkg

hónapFt

m

Kk

iszap

V ====⋅⋅⋅⋅

====⋅⋅⋅⋅

==== [44]

A mikrohullámú rendszer esetében a bevétel (R) a felhasználói oldalon a földgáz

helyettesítésére, vagy más felhasználók számára értékesített, a kezelések hatására képződő

többlet biogáz metántartalma jelenti.


____________________________________________________________________

109

A feldolgozott iszapmennyiséget (mi), illetve ennek fajlagos biogázkitermelési

mutatóját (Ybiogáz), valamint a biogáz (kezelések hatására magasabb) metánkoncentrációját

(cv(CH4)) tekintve a havi metántöbblet a következőképpen, a [45] összefüggéssel számítható:

]/[1,503761,0]/[367][7503030 3

44hónapmkgLkgcYmV

CHVbiogáziCH ====⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅====⋅⋅⋅⋅∆∆∆∆⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅==== [45]

Nem-lakossági felhasználókat tekintve a földgáz bruttó díja (FÁ) 4,54 Ft/MJ. A metán

átlagos energiatartalmával (q~40 MJ/m3) számítva a keletkező biogázzal, a földgáz

helyettesítése révén kapott nyereség számítható.

hónapFt

mMJMJFthónapmqFÁVR CH

/914738

]/[40]/[54,4]/[1,5037 33

4

====

====⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅====⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅==== [46]

A rendszer működtetési költségét figyelenbe vevő korrigált ’nettó’ nyereség (R’) a

nyereség (R) és a teljes működési különbségeként (KV) képezhető:

hónapFtKRR V /503838410900914738' ====−−−−====−−−−==== [47]

A mikrohullámú rendszer bekerülési költségének (KI) és a havi korrigált nyereség (R’)

ismeretében a megtérülési idő (τmegt) a következőképpen adható meg:

hónaphónapFt

Ft

R

K Imegt 5,45

/503838

22930000

'============ττττ [48]

Ha ugyanezen rendszert azonos napi volumenű húsipari iszap előkezelésére használjuk,

a rendszer bekerülési és üzemeltetési költségét, valamint a fajlagos iszapkezelési költséget

azonosnak tekinthetjük a tejipari iszap esetében leírtakéval.

A nyereség számításánál azonban a kezelés hatására bekövetkező biogázproduktum

növekedés eltérő, így azt [45] összefüggés módosításával a húsipari iszap adataival

számíhatjuk

]/[3,272062,0]/[195][7503030)( 3

44hónapmkgLkgcYmhúsipV

CHVbiogáziCH ====⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅====⋅⋅⋅⋅∆∆∆∆⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅====

[49]


____________________________________________________________________

110

Ebből a nyereség a [46] összefüggéssel analóg módon számítva:

hónapFt

mMJMJFthónapmqFÁVR CH

/494006

]/[40]/[54,4]/[3,2720 33

4

====

====⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅====⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅==== [50]

Mindezek figyelembevételével a megtérülési idő húsipari iszap mikrohullámú kezelése

esetében

hónaphónapFt

Ft

KR

K

V

Imegt 9,275

/410900494006

22930000====

−−−−====

−−−−====ττττ [51]

A megtérülési idő számításának eredményei alapján tehát igazolható, hogy a

mikrohullámú kondicionálási módszer alkalmazása azon típusú alapanyagok esetében

gazdaságos, amelyek eredeti biológiai lebonthatósága erősen korlátozott. Ebben az esetben

a mikrohullámú rendszer (4 évnél rövidebb idejű) megtérülése kedvezőnek ítélhető.

A jelen költségbecslés és megtérülési számítások esetén feltételezett feldolgozási

kapacitást jelentősen meghaladó iszapproduktum esetében azonban már figyelembe kell

venni a teljesítményigénnyel exponenciálisan növekvő beruházási költségeket, amelyek a

gazdaságossági mutatókat nagyban ronthatják.


____________________________________________________________________

111

6 ÖSSZEFOGLALÁS

Napjainkban az elérhető és biztonságos ivóvízkészletek csökkenésével a

szennyvíztisztítási eljárások kapacitásigényével és a tisztítási hatásfokukkal szemben

támasztott követelmények fokozódnak. A szennyvízkezelés technológiai és műszaki

fejlődésével párhuzamosan azonban az azokban képződő iszapok mennyisége is növekszik.

Az iszapkezelési eljárások tervezése során, a környezetvédelmi és a jogszabályi változások

miatt, egyre inkább a hasznosításra koncentrálnak. Az iszapok hasznosítása legtöbb esetben

valamilyen előkezelési eljárást igényel.

Az utóbbi évek kutatási eredményei alapján a mikrohullámú energiaközlés alkalmasnak

bizonyult a különböző hulladékok és melléktermékek hatékony kezelésére. A hagyományos

termikus módszerekkel összehasonlítva legfontosabb előnyei közé tartozik az igen gyors

hőfejlesztő képessége, az eltérő hőkeltési mechanizmusa révén a térfogati felmelegítő

hatása, az összetett rendszerekben tapasztalható szelektív felmelegítő hatása és az igen

rövid műveleti idő szükségelete. Mindezen előnyös tulajdonságai mellett azonban

megállapítható, hogy a mikrohullámú anyagkezelési eljárások több alapanyag esetében nem

kellő mélységben vizsgáltak.

A szakirodalom a mikrohullámú iszapkezelés esetében szinte kizárólagosan a

kommunális eredetű iszapokkal kapcsolatos eredményekről számol be. Az egyes

közleményekben leírt eredmények objektív összehasonlítása az eltérő kísérleti körülmények

és sok esetben a nem kellően definiált kontrollparaméterek miatt nehézkes, az így nyert

tapasztalatok más anyagtípusra való adaptálása téves következtetésekhez vezethet.

Mindezen okok miatt a doktori munkám során az élelmiszeripari eredetű iszapok

mikrohullámú kezelésének a biológiai lebonthatóság szempontjából értelmezett

hatékonyságát és a mikrohullámú műveleti paraméterek hatásait vizsgáltam.

A tejipari és húsipari iszapok esetében az atmoszferikus nyomáson kivitelezett

mikrohullámú kezelésnek az iszapszerkezet stabilitását biztosító extracelluláris polimer

vegyületekre (EPS) és a sejtfalakra gyakorolt roncsolóhatása következtében, a

szervesanyagok oldhatóságát jellemző, kémiai oxigénigény méréssel meghatározható,

SCOD/TCOD aránya a hagyományos termikus módszereknél matematikai statisztikai

módszerekkel igazolhatóan szignifikánsan nagyobb mértékben növekedett. A növekmény


____________________________________________________________________

112

mértéke a kezelési körülményektől függően a tejipari iszapnál a 250%-ot is elérheti, illetve

húsipari iszapnál a 30%-ot meghaladhatja.

A biokémiai oxigénigény (BOI) méréssel meghatározható, az aerob körülmények között

lebontható szervesanyagok mennyisége a mikrohullámú energiaközlés hatására, a további

biológiai eljárásokban való iszaphasznosítás szempontjából előnyösen változott. Az iszap

típusától, és a kezelési körülményektől függően a szervesanyagoknak az aerob lebontó

mikroorganizmusok számára lebontható aránya a kezeletlen iszaphoz képest a

mikrohullámú energiaközléssel 50-220%-al növelhető.

Az eredményeim alapján látható, hogy a mikrohullámú eljárás hatása a kisebb kezdeti

lebonthatósággal jellemezhető tejipari iszapok esetében kifejezettebb. A mikrohullámú

eljárás hatékonyságának igazolása mellett azonban megállapítottam, hogy a szervesanyagok

oldható formában lévő frakcióinak arányát, valamint az aerob körülmények között

lebontható komponensek arányát tekintve a fajlagos kezelési teljesítmény-intenzitás

egyaránt befolyásolja a kezelések hatékonyságát.

Az eltérő eredetű, illetve a sokszor jelentősen változó összetételű iszapokkal végzett

mikrohullámú kezelések hatékonyságának összehasonlíthatósága érdekében a kezdeti

összetételi paraméterektől független, a kezelések hatását mérő mutatókat fejlesztettem. A

szervesanyag frakciók oldhatósági változásainak mérésére az oldhatósági index (SLI),

illetve a szervesanyagon belül az aerob úton bontható vegyületek arányának változásának

jellemzésére a biodegradálhatósági index (BDI) paramétereket definiáltam.

Az SLI és BDI mutatókat, mint kontrollparamétereket felhasználva kísérlettervezés és

válaszfelület elemzési módszerrel (RSM) alkotott fiziko-matematikai modellalkotást

követően vizsgáltam a teljesítménytől és a besugárzási időtől függő mikrohullámmal közölt

energia (IMWE) és a fajlagos kezelési teljesítmény-intenzitás (MWPL) műveleti

paraméterek hatásait.

Az eredményeim alapján megállapítottam, hogy a vizsgált paramétertartományban

(IMWE: 90-1050 kJ; MWPL 0,5-5 Wg-1) az aerob lebonthatóságot jelző BDI értékének

növekedése maximum tartománnyal jellemezhető, az IMWE és MWPL egy határon túli

növekedése már negatívan befolyásolja a lebonthatóság mértékét. Az aerob lebonthatóság

szempontjából legkedvezőbbnek tekinthető paramétertartomány az MWPL esetében 1,75

Wg-1 – 3,5 Wg-1, az IMWE esetében 550 kJg-1 - 700 kJg-1.


____________________________________________________________________

113

A műveleti paraméterek hatását elemezve megállapítottam, hogy mind az IMWE, mind

az MWPL szignifikáns hatást gyakorol mindkét vizsgált változóra, vagyis az oldhatósági

indexre és a biodegradálhatósági indexre egyaránt. A dielektromos jellemzők mérésével

igazoltam, hogy a dielektromos veszteségi tényező (ε”) és a szervesanyagok oldhatósági

változása, valamint a biológiai lebonthatóság mértékének változása között korreláció

mutatható ki. A villamos paraméterek és a biológiai lebnthatóság összefüggése a

folyamatos mikrohullámú anyagkezelő rendszerek szabályozására, illetve a kezelések

hatékonyságának folyamatközbeni ellenőrzésére is alkalmas.

A mikrohullámú előkezelésnek az anaerob lebonthatóságra gyakorolt hatásait mezofil

hőmérséklettartományú rothasztási tesztekkel vizsgáltam. Az anaerob fermentációs

kísérletek eredményei alapján megállapítottam, hogy a mikrohullámú energiaközlés

előnyösen hat az anaerob lebonthatóság mértékére. A mikrohullámú eljárás az

élelmiszeripari iszapok esetében a fajlagos biogázkiteremlési mutatót, a rothaszthatóság

mértékét és a lebontási ütemmel összefüggő biogázképződési sebességet, a hagyományos

termikus módszereknél hatékonyabban növeli.

Az anaerob fermentáció szempontjából leghatékonyabbnak tekinthető mikrohullámú

előkezelés alkalmazásával a tejipari iszap esetében, a kezeletlen iszaphoz képest, közel 19-

szeres húsipari iszapnál kb. 1,2-szeres biogáztérfogatot eredményezett. A mikrohullámú

kezelés műveleti paramétereit tekintve megállapítottam, hogy a BDI esetében

meghatározott optimális IMWE és MWPL tartománynál intenzívebb energiaközlés az

anaerob fermentáció szempontjából a keletkező biogáz térfogatát még növelte.

A vizsgálataim alapján a mikrohullámú előkezelés a 30 napos rothasztás alatt keletkező

biogázban a metán komponens arányát növelte. A kezelések során az anyaggal közölt

energia, valamint a hatására keletkező többlet biogáz energiatartalmának különbségeként

meghatározott nettó energia-hasznosulási mutatói alapján azonban megállapítottam, hogy

az energetikai szempontok alapján meghatározott optimális IMWE és MWPL tartományok

nincs teljes átfedésben a lebonthatóság szempontjából meghatározottakkal. A

mikrohullámú előkezelés a korlátozott eredeti bonthatóságú, ezáltal alacsony kezdeti

biogázkitermelési mutatóval jellemezhető iszapok esetében az eljárás költség-haszon

elemzése alapján hatékonynak tekinthető, a beruházás - 4 évnél kisebb - megtérülési

mutatója kedvező.


____________________________________________________________________

114

7 ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK

Az értekezés tematikus alfejezeteinek végén szereplő új tudományos eredményeket

összefoglalásként, az egyes rész-tézispontokat összevonva a következőekben sorolom fel:

T1) Élelmiszeripari iszapok esetében az atmoszferikus nyomáson végzett

mikrohullámú kezelés, az atmoszferikus nyomáson kivitelezett,

hagyományos termikus kezelésekhez képest, rövidebb műveleti

időszükséglet mellett, nagyobb mértékben növeli a szervesanyagok

oldhatóságát és az aerob folyamatokban lebontható vegyületek

koncentrációját, amely alkalmassá teszi a módszert a biológiai iszapkezelési

eljárások szervesanyag hasznosításának intenzifikálására.

A kémiai oxigénigény mérési módszerrel meghatározható, az összes

szervesanyag tartalmon belüli vízoldható összetevők arányát jelző,

SCOD/TCOD paraméter a tejipari iszap esetében a kezdeti 9,7%-ról 30% fölé,

húsipari iszap esetében 29%-ról 45%-ra növelhető mikrohullámú kezeléssel. Az

aerob körülmények között lebontható szervesanyagok koncentrációjával arányos

BOI értéke a kezeletlen mintához képest, mikrohullámú kezelésekkel a tejiapri

iszap esetében négyszeresére, húsipari iszap esetében közel háromszorosára

növelhető.

T2) A mikrohullámú iszapkezelési eljárásnak, a szervesanyagfrakció

oldhatósága, valamint a biológiailag lebontható szervesanyagok

koncentráció változása szempontjából értelmezett hatékonyságát, a

mikrohullámú sugárzás behatási idején túl, a kezelt anyag egységnyi

tömegére vonatkoztatott, azaz fajlagos teljesítmény-intenzitás is

befolyásolja.

Mind a tejipari, mind a húsipari eredetű iszap esetében a szervesanyag

vízoldhatóság mértékével arányos SCOD/TCOD arány növekedését, továbbá a

szervesanyag tartalmon belül a biológiailag lebontható vegyületek arányát jelző

BOI/KOI arány változását a fajlagos mikrohullámú kezelési

teljesítményintenzitás a vizsgált 0,5-5 Wg-1

tartományban szignifikánsan

befolyásolja.


____________________________________________________________________

115

T3) Az aerob biológiai lebonthatóság jellemzésére fejlesztett

biodegradálhatósági index (BDI), és a szervesanyagok vizes fázisban

mérhető koncentráció változás jellemzésére fejlesztett oldhatósági index

(SLI) alkalmas a mikrohullámú iszapkezelés műveleti paraméterei

hatásának objektív vizsgálatára, és azok optimálására.

Az oldhatósági index (SLI) valamint a biodegradálhatósági index (BDI) az

alábbi, a fajlagos teljesítmény-intenzitást (MWPL) tekintve a 0,5-5 Wg-1

, illetve

az anyaggal közölt mikrohullámú energiát (IMWE) tekintve 90-1050 kJg-1

tartományban érvényes modellekkel becsülhető:

22

212121 x036,0x237,0xx0706,0x014,0x301,08085,0SLI ++++−−−−++++++++++++====

22

2121 x043,0x298,0x002,0x071,08921,0BDI ++++−−−−−−−−++++====

Ahol x1 jelöli az IMWE, x2 pedig az MWPL paramétert.

T4) A mikrohullámú energiaközlésen alapuló előkezelés az anaerob

fermenteció során a biogázkitermelési mutatót az alkalmazott fajlagos

kezelési teljesítmény-intenzitástól függő mértékben javítja, továbbá a

képződő biogáz metán tartalmát növeli élelmiszeripari iszapok esetében.

A mikrohullámú előkezelés alkalmazásával az anaerob körülmények között

nehezen bontható tejipari iszap biogáz-kitermelési mutatója a kezeletlen

iszaphoz képest közel 19-szeresére, míg a húsipari iszap esetében 1,2-szeresére

növelhető. A leghatékonyabbnak tekinthető mikrohullámú kezeléssel a biogáz

metántartalma 25%-ot meghaladó mértékben növelhető volt mind a tejipari,

mind a húsipari iszap esetében.

T5) A mikrohullámú iszapkondicionálási eljárás az élelmiszeripari iszapok

anaerob fermentációs folyamatban való hasznosítása során alkalmas a

rothasztási időszükséglet hatékony csökkentésére, továbbá az anaerob

lebomlás ütemének felgyorsítása révén a biogáz képződési sebességének

növelésére.


____________________________________________________________________

116

A mikrohullámú kezelésekkel a biogázképződés kezdetéhez szükséges idő mezofil

rothasztás esetében tejipari iszapnál 80%-al, húsipari iszapnál 75%-al rövidül

le. A 30 napos fermentációs időszak alatt a biogáz képződés ötnapos lineáris

felfutási szakaszából meghatározott átlagos gáztermelődési sebesség a

kezeletlen iszaphoz képest, tejipari iszapnál húszszorosára, húsipari iszapnál

háromszorosára növelhető mikrohullámú kezelések alkalmazásával.

T6) A mikrohullámú iszap kondicionálási eljárás esetében a biogázproduktum,

és annak metántartalma alapján meghatározott optimális műveleti

paramétertartományok nem azonosak az energetikai szempontú optimálás

során meghatározottal. A rothasztást megelőző mikrohullámú előkezelés

hatékonyságának elemzésekor az energia-hasznosulási mutató alkalmazása

szükséges.

Az anaerob fermentációt megelőző mikrohullámú kezelés energiahatékonysága

(∆E) a kezelés teljesítmény-igényének és idejének, valamint a hatására képződő

biogáz többlet fűtőértékének figyelembevételével jellemezhető. A kezelések

energetikai szempontú optimálása az IMWE (x1) és MWPL (x2) műveleti

paramétereket tartalmazó modell alkalmazásával végezhető.

[[[[ ]]]]121

22

2121 9.38579.470017.474.23729.2712.326 −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−====∆∆∆∆ gJXXXXXXE

T7) A mikrohullámú hőkeltés szempontjából meghatározó dielektromos

veszteségi tényező értéke az iszapok szervesanyag oldhatóságával, és

biológiai lebonthatóságával összefüggésben áll. A dielektromos veszteségi

tényezőnek a kezelési folyamatok során bekövetkező változásának

mérésével a biológiai lebonthatóság mértékének növekedése becsülhetővé

válik.

Az iszapot alkotó szervesanyagok vízoldhatóságának változásával arányos

SCOD/TCOD paraméter, valamint a biológiailag lebontható szervesanyag

frakciók koncentráció változásával arányos BOI/KOI paraméter a dielektromos

veszteségi tényező (ε”) értékének változásával szoros (R2>0,9; ill. R

2>0,85)

kapcsolatban áll.


____________________________________________________________________

117

8 SUMMARY

Nowadays, because of the shortening of water resources, expectations for higher

capacity and cleaning efficiency of wastewater purification technologies are growing.

Notwithstanding of the technological development of wastewater treatment works the

amount of sludge produced in these process is continuously increasing. Taking into

consideration the environmental awareness and the more and more rigorous pollution

control regulations, the research and development activity focuses on the sludge utilization

processes. However the sludge utilization and valorization technologies require applying

pre-treatments.

Previous investigations have been verified, that microwave irradiation is applicable in

various waste and by-products handling technologies with high efficiency. The main

advantages of microwave technique over the conventional thermal heating methods are the

follow: rapid heat generation, volumetric heating, selecting heating in multicomponent

system and the very short processing cycle time. Beside these advantages, it can be

concluded, that the effects and efficiency of microwave processes are not enough deeply

investigated and analyzed for many types of materials. It can be also established, that

results of studies on microwave sludge conditioning obtained mainly from municipal

sludge processing.

Comparing of the results obtained from different studies has difficulties because of the

different condition of experimental set-up, and the undefined or not exactly defined control

parameters used for evaluation of microwave process. Therefore these observations are

often led to incorrect conclusion, determined optimum parameters can not be used for

another material or equipment, and make complicated the scale up of processes. Taking into

consideration the above mentioned, the objective of my work was the investigation of the

efficiency of microwave treatment process on the biodegradability of food industry sludge,

and analyzis of the effect of microwave process parameters.

Because of the strong disintegration effect of microwave irradiation on extracellular

polymeric substances (EPS), which form complex sludge structure, and also on microbial

cell walls has led to enhanced solubility of organic matters of food industry sludge, given

by the ratio of soluble to total chemical oxygen demand (SCOD/TCOD). Increasing of

organic matter solubility of microwave irradiated dairy and meat processing sludge was


____________________________________________________________________

118

statistically and significantly higher than that of obtained from conventionally heated

samples. By microwave treatment, an increment of 250% and over 30% in the

SCOD/TCOD value was achieved for dairy and meat processing sludge, respectively.

From the aspect of the further utilization of sludge, the change of biochemical oxygen

demand (BOD), which correlates the degradable organic matters of sludge under aerobic

condition, can be considered advantageous. Depend on the type of sludge, and the process

parameters of microwave treatment, amount of the available substrate, i.e. the

biodegradable compounds, increased by 55-220% compared to the untreated control

sample.

My results proved that the microwave pre-treatment has a stronger effect on the

biodegradability of dairy sludge with more resistant original sludge structure, than on the

meat processing sludge. Beside the verified overall efficiency of microwave process, it was

also established, that the specific microwave power intensity has significant influence on

the change of organic matter solubility and the aerobically degraded component of sludge,

as well.

For comparison purpose, and for modeling and optimization of process, it is needed to

create novel control parameters, by which can be measured the changes in organic matter

fraction of sludge independently from the varying characteristic or different origin of raw

sludge. To quantify the change in the solubility of organic matter of sludge and in the

degree of biodegradability the solubilization index (SLI) and the biodegradation index

(BDI) were developed. Defined SLI and BDI as control parameters, effects and significance

of irradiated microwave energy (IMWE) and microwave power level (MWPL) were

investigated with experimental design and response surface methodology (RSM).

Based on my results, I have established that in the range of 90-1050 kJkg-1, and 0,5-5

Wg-1 for IMWE and MWPL, the surface fitted by constructed model can be characterized

by a maximum value for BDI. Microwave treatment carried out over a certain value of

MWPL and IMWE has resulted in lower biodegradability. Optimum range of IMWE and

MWPL was concluded as 600-650 kJ and 2,5-3,0 Wg-1, respectively, and both process

parameters have significant effect on the change of BDI and SLI, as well.


____________________________________________________________________

119

Furthermore, in another series of my experiments I have verified correlation between the

organic matter solubility, degree of biodegradability and the dielectric loss factor (ε”).

Relationship between the dielectric parameters and biodegradability provide facility to an

in-line and real-time estimation and control the efficiency of microwave sludge

conditioning process.

Mesophilic anaerobic digestion (AD) tests were applied to examine the effect of

microwave pre-treatment on the anaerobic degradation. It was proved, that microwave

irradiation as pre-treatment before AD process was more effective than conventional

heating, which is resulted in higher biogas yield, organic matter removal efficiency, and

accelerated biogas production rate.

By microwave pre-treatment, the volume of produced biogas from dairy and meat

industry sludge was 19-times and 1.2 times higher, than that of obtained from raw sludge.

From the aspects of biogas yield and the rate of anaerobic degradation the optimum range

of IMWE and MWPL was higher than determined for BDI. Over the optimum MWPL or

IMWE level the aerobic degradability start to decrease, but the enhanced power intensity of

microwave pretreatment could increase further the efficiency and the rate of biogas

production.

My experimental results demonstrated that microwave irradiation could increase the

methane production during a 30 days fermentation process. Net energy product of

microwave pre-treatment was calculated as the difference between the energy content of

produced surplus biogas and the irradiated microwave energy. Based on my calculations

can be concluded, that despite of higher biogas yield, MW pre-treatment at higher MWPL

and using increased IMWE were not favorable from energetic aspects, the optimum range

for net energy product was not the same that was determined for maximum biogas

production. Cost-benefit analysis shows that investment to a medium capacity microwave

sludge conditioning equipment has a short (less than 4 years) payback period for food

industry sludge with low original biodegradability.


____________________________________________________________________

120

9 IRODALOMJEGYZÉK

1) Adhikari B., De D., Maiti S. Reclamation and recycling of waste rubber. Progress in Polymer Science 25, 2000, 909-948.

2) Ahn J.H., Shin S.G., Hwang S. Effect of microwave irradiation ont he disintegration and acidogenesis of municipal secondary sludge. Chemical Engineering Journal 153, 2009, 145-150.

3) Aklhori S., Minaev B., Stone-Elander, S., Elander N. Quantum Chemical Model of an SN2 Reaction in a Microwave Field. Journal of Physical Chemistry. A, 106(37), 2002, 8516-8524

4) Almássy Gy. Mikrohullámú mérőműszerek és mérések. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1964, 380 p.

5) Appels L., Degreve J., Van der Bruggen B., Van Impe J., Dewil R. Influence of low temperature thermal pre-reatment on sludge solubilization, heavy metal release, and anaerobic digestion. Bioresource Technology 101, 2010, 5743-5748.

6) Appels L., Houtmeyers S., Dereve J., Van Impe J., Dewil R. Influence of microwave pre-treatment on sludge solubilization and pilot scale semi-continuous anaerobic digestion. Bioresource Technology 128, 2013, 598-603.

7) Ayappa, K.G., Davis, H.T., Grapiste, G., Davis, E.A., Gordon, J. Microwave heating: an evaluation of power formulations, Chemical Engineering Science 46, 1991, 1005-1016.

8) Baghurst DR., Whittaker AG. Microwave dielectric heating effects in chemical synthesys. In: Chemistry under non-classical condition. Ed.: van Eldik R. and Hubbard CD., John Wiley & Sons, New York, 1997, 479-514.

9) Banik S., Bandyopadhyay S., Ganguly S. Bioeffects of microwave-a breif review, Bioresource Technology 87, 2003, 155-159

10) Barótfi I. Környezettechnika. Mezőgazda Kiadó, Budapest, 2000, 981p.

11) Beke, J. Terményszárítás. Agroinform Kiadó, Budapest, 1997, 419p.

12) Beneduci A. Which is the effective time-scale of the fast Debye relaxation proces in water. Journal of molecular liquids 138(1-3), 2008, 55-60.

13) Bengtsson N.E., Risman P.O. Dielectric properties of foods at 3 GHz as determined by a cavity perturbation technique. Journal of Microwave Power EM Energy 6, 1971, 107-123.

14) Bhattacharya M., Basak T. A novel closed-form analysis on asymptotes and resonances of microwave power. Chemical Engineering Science, 61 (19), 2006, 6273-6301.

15) Binod P., Satyanagalakshmi K., Sindhu R., Janu K.U., Sukumara R., Pandey A. Short duration microwave assisted pretreatment enhances the enzymatic saccharification and fermentable sugar yield from sugarcane bagasse. Renewable Energy 37, 2012, 109-116.

16) Bo L.L., Zhang Y.B., Quan X., Zhao B. Microwave assisted catalytic oxidation of p-nitrophenol in aqueous solution using carbon-supported copper catalyst. Journal of Hazardous Material 153, 2008, 1201-1206.

17) Bogdal D., Loupy A. Application of microwve radiation to phase-transfer catalyzed reactions. Organic Process Research and Development, 12(4), 2008, 710-722.

18) Bohdziewicz J., Sroka E. Application of hybrid systems to the treatment of meat industry wastewater. Desalination, 198, 2006, 33-40.

19) Bohr H., Bohr J. Microwave enhanced folding and denaturation of globular proteins. Physical Review 61, 2000a, 4310-4314.

20) Bohr H., Bohr J. Microwave enhanced kinetics observed in ORD studies of a protein. Bioelectromagnetics 21, 2000b, 68-72.


____________________________________________________________________

121

21) Bougrier C., Delgenes J.P., Carrere H. Impacts of thermal pretreatments ont he semi-continuous anaerobic digestion of waste activated sludge. Biochemical Engineering Journal, 34(1), 2007, 20-27.

22) Brooks R.B. Heat treatment of sewage sludge. Water Pollution and Control, 69(2), 1970, 221-231.

23) Chandrasekaran S., Ramanathan S., Basak T. Microwave material processing-a review. Fluid Mechanics and Tranport Phenomena, 58(2), 2012, 330-363.

24) Chen Y., Cheng J.J., Creamer K.S. Inhibition of anaerobic digestion process: a review. Bioresource Technology, 99, 2008, 4044-4054.

25) Chi Y., Li Y., Fei X., Wang S., Yuan H. Enhancement of thermophilic anaerobic digestion of thickened waste activated sludge by combined microwave and alkaline pretreatment. Journal of Environmental Sciences 23(8), 2011, 1257-1265.

26) Cho SK., Shin HS., Kim DH. Waste activated sludge hydrolysis during ultrasonication: two-step disintegration. Bioresource Technology 44, 2012, 480-483.

27) Chu C.P., Chang B.V., Liao G.S., Jean D.S., Lee D.J. Observationas on changes in ultrasonically treated waste-activated sludge. Water Research 35, 2001, 1038-1046.

28) Churchland M.T. Microwaves:Theory and Application in materials Processing III. American Ceramic Society, Westerwille, OH, 1995, 63 p.

29) Clark D.E., Folz D., West J.K. Processing materials with microwave energy. Materials Science and Engineering A287, 2000, 153-158.

30) Climent M., Ferrer I., Baeza M., Artola A., Vazquez F., Font F. Effects of thermal and mechanical pretreatments of secondary sludge on biogas production under thermophilic conditions. Chemical Engineering Journal 133, 2007, 335-342.

31) Constable D., Raner K., Somlo P., Strauss C. A New Microwave Reactor Suitable for Organic Synthesis and Kinetics Studies. Journal of Microwave Power and Electromegnetic Energy, 27(4), 1992, 195-198.

32) Coss PM., Cha CY. Microwave regeneration of activated carbon used for the removal of solvents from vented air. Journal of the Air and Waste Management Association, 50(4), 2000, 529-535.

33) Curet, S., Rouaud, O., Boillereaux, L. Microwave tempering and heating in a single-mode cavity: Numerical and experimental investigations. Chemical Engineering and Processing, 47, 2008, 1656-1665.

34) de la Hoz A., Diaz-Ortiz A., Moreno A. Microwaves in organic synthesis. Thermal and non-thermal microwave effects.Chemical Society Reviews 34(2), 2005, 164-178.

35) de los Santos J., Garsia D., Eiras J.A. Dielectris chracterization of materials at microwave frequency range. Materials Research 6(2003), 742-746.

36) De Sena R., Claudino A., Moretti K., Bonfanti I.C.P., Jose H.J. Biofuel application of biomass obtained from a meat industry wastewater plant through the flotation process-a case study. Resozrces, Conservation and Recycling 52, 2008, 557-569.

37) Dogan I., Sanin F.D. Alkaline solubilization and microwave irradiation as a combined sludge disintegration and minimization method. Water Research 43, 2009, 2139-2148.

38) Dwyer J., Starrenburg D., Tait S., Barr K., Batstone T.J., Lant P. Decreasing activated sludge thermal hydrolysis temperature reduces product colour, without decreasing degradability. Water Research 42(18), 2008, 4699-4709.

39) Eskicioglu C., Kennedy K.J., Droste R.L. Characterization of soluble organic matter of waste activated sludge before and after thermal pretreatment. Water Research 40, 2006, 3725-3736.

40) Eskicioglu C., Kennedy K.J., Droste R.L. Performance of anaerobic waste activated sludge digesters after microwave pretreatment. Water Environment Research 79, 2007, 2265-2273.


____________________________________________________________________

122

41) Eskicioglu C., Terzian N, Kennedy K.J., Droste L.R., Hamoda M. Athermal microwave effects for enhancing digestibility of waste activated sludge. Water Research 41, 2007, 2457-2466.

42) Eskicioglu C., Prorot A., Marin J., Droste R.L., Kennedy K.J. Synergetic pretreatment of sewage sludge by microwave irradiation in prsence of H2O2 for enhanced anaerobic digestion. Water Research 42 (18), 2008a, 4674-4682.

43) Eskicioglu C., Kennedy K.J., Droste R.L. Initial examination of microwave pretreatment on primary, secondary and mixed sludges before and after anaerobic digestion. Water Science and Technology 57, 2008b, 311-317.

44) Fisher R.A., Swanwick S.J. High temperature treatment of sewage sludges. Water Pollution and Control, 71(3), 1971, 255-270.

45) Fodor I. A környezetvédelem és regionalitás Magyarországon. Dialóg Campus Kiadó, Budapest, 2001, 384 p.

46) Fujikawa H., Ushioda H., Kudo Y. Kinetics of Escheria coli destruction by microwave irradiation. Applied Environmental Microbiology 58, 1992, 920-924.

47) Ganidi N., Tyrrel S., Cartmell E. Anaerobic digestion foaming causes-a review. Bioresource Technology 100, 2009, 5546-5554.

48) Géczi G., Horváth M., Kaszab T., Alemany G.G. No major differences found between the effects of microwave-based and conventional heat treatment methods on two different liquid foods. PLOS ONE 8(1), 2013, 1-12.

49) George D.F., Bilek M.M., McKenzie D.R. Non-thermal effects int he microwave induced unfolding of proteins observes by chaperone binding. Bioelectromagnetics 29, 2008, 324-330

50) Göllei A., Magyar A., Gerzson M., Ludányi L. Mikrohullámú tápvonalelemek modellezése. Műszaki Kémiai Napok 2010 Konferenciakiadványa, 2010, 40-46.

51) Greffe J.L., Grosse C., Priou A. Dielectric properties of heterogenous materials. In PIER Series, Vol. 6., Ch.:2; Elsevier, New York, 1992, 398 p.

52) Guo L., Li X., Bo X., Yang Q., Zeng G., Liao D., Liu J. Impacts of sterilization, microwave and ultrasonication pretreatment on hydrogen producing using waste sludge. Bioresource Technology 99, 2008, 3651-3658.

53) Hajek M. Microwave Activation of Homogeneous and Heterogeneous Catalytic Reactions. Collection of Czechoslovak Chemical Communications, 62(2), 1997, 347-354.

54) Haque KE. Microwave energy for mineral treatment processes-a brief review. International Journal of Mineral Processing, 57(1), 1999, 1-24.

55) Haug R.T., Stuckey D.C., Gossett J.M., McCarthy P.L. Effects of thermal pre-treatment on digestibility and dewaterability of organic sludges. Journal of Water Pollution Control Federation 50, 1978, 73-85.

56) Haug R.T., LeBrun T.J., Tortorici L.D. Theraml pre-treatment of sludge, a field demonstartion. Journal of Water Pollution Control Federation 55, 1983, 23-34.

57) Herrero M.A., Kremsner J.M., Kappe C.O. Nonthermal microwave effects revisited:ont he importance of internal temperature monitoring and agitation in microwave chemistry. Journal of Organic Chemistry, 73, 2008, 36-47.

58) Hiraoka M., Takeda N., Sakai S., Yasuda A. Highly efficient anaerobic digestion with thermal pre-treatment. Water Science and Technolgy 17, 1985, 529-539.

59) Holtze C,., Sivaramakrishnan R., Antonietti M., Tsowi J., Kremer F., Kramer K.D. The microwave absorption of emulsions containing aqueous micro- and nanodroplets: A menas to optimize microwva heating. Journal of Colloid and Interface Science 302, 2006, 651-657.

60) Holzwarth A., Lou J., Hatton TA., Laibinis PE. Enhanced microwave heating of non-polar solvents by dispersed magnetic nanoparticles. Industrial and Engineering Chemistry Research 37(7), 1998, 2701-2706.


____________________________________________________________________

123

61) Hong S.M., Park J.K., Teeradej N., Lee Y.O., Cho Y.K., Park C.H. Pretreatment of sludge with microwaves for pathogen destruction and improved anaerobic digestion performance. Water Environmental Research 78(1), 2006, 76-83.

62) Housecroft C.E., Sharpe A.G. Inorganic chemistry 2nd Ed., Pearson Ed. Ltd., 2005, 949 p.

63) Hoz DLA., Diaz-Ortiz A., Moreno A. Selectivity in Organic Synthesis Under Microwave Irradiation. Current Organic Chemistry, 8(10), 2004, 903-918.

64) Iacovidou E., Ohandja D.G., Voulvoulis N. Food waste co-digestion with sewage sludge-Realising its potential in the UK. Journal of Environmental Management 112, 2012, 267-274.

65) Jacob J., Chia LHL., Boey FYC, Review-thermal and non-thermal interaction of microwave radiation with materials. Journal of Materials Science 30(21), 1995, 5321-5327.

66) Jones DA., Lelyveld T.P., Mavrofidis S.D., Kingman S.W., Miles N.J. Microwae heating applications in environmental engineering-areview. Resources, Conservation and Recycling. 34, 2002, 75-90.

67) Kawala Z., Atamanczuk T. Microwave enhanced thermal decontamination of soil. Environmental Science and Technology 32(17), 1998, 2602-2607.

68) Kennedy K.J., Thibault G., Droste R.L. Microwave enhanced digestion of aerobic SBR sludge. Water SA 33(2), 2007, 261-270.

69) Kepp, U., Machenbach I., Weisz N., Solheim O.E. Enhanced stabilization of sewage sludge through thermal hydrolysis 3 years of experience with full scale plant. Water Science and Technology 42(9), 2000, 89-96.

70) Kim h.W., Han S.K., Shin S.H. The optimisation of food waste addition as a co-substrate in anaerobic digestion of sewage sludge. Waste Management Research, 21, 2003, 515-526.

71) Kingman SW., Vorster W., Rowson NA. The influence of mineralogy on microwave assisted grinding. Minerals Engineering 13(3), 1999, 313-327.

72) Komarov V., Wang S., Tang J. Permittivity and measurement. In: Wiley Encyclopedia of RF and Microwave Engineering, Vol.4., Wiley and Sons, Hoboken, 2005, 3694-3711

73) Komarov V. Handbook of dielectricand thermal properties of materials at microwave frequencies. Artech House, US, 2012, 169 p.

74) Kong Y., Cha CY. Reduction of NOX adsorbed on char with microwave energy. Carbon, 34(8), 1996, 1035-1040.

75) Kozempel M., Cook RD., Scullen O.J., Annouos B.A. Development of a process for detecting non-thermal effects of a microwave energy on microorganisms at low temperature. Journal of Food Processing and Preservation 24, 2000, 287-301.

76) Kremer F., Schönhals A. Broadband dielectric spectroscopy. Springer Verlag, Berlin-Heidelberg, 2003, 729 p.

77) Kuglarz M., Karakashev D., Angelidaki I. Microwave and thermal pretreatment as methods for increasing the biogas potential of secondary sludge. Bioresource Technology 134, 2013, 290-297.

78) Kumar S.B., Matthew K.T., Raveendaranath U., Augustine P. Dielectric properties of certain biological materials at microwave frequencies. International Journal of Microwave Power and EM Energy, 36, 2001, 67-75.

79) Lakatos E., Kovács A.J., Szerencsi Á., Neményi M. Non-thermal effect of microwave treatment on enzyme suspensions Part II.: Cellulose enzyme activity. Review of Faculty of Engineering Analecta technica Szegedinensia, 2009, 63-68.

80) Leadbeater N.E. Microwave heating as a tool for sustainable chemistry. CRC Press, 2011, 278 p.


____________________________________________________________________

124

81) Lee Y.C., Lo S.L., Chiueh P.T., Chang D.G. Efficient decomposition of perfluorocarboxylic acids in aqueous solution using microwave-induced persulfate. Water Research 43, 2009, 2811-2816.

82) Loupy A., Maurel F., Sabatie-Gogova A. Improvements in Diels–Alder cycloadditions with some acetylenic compounds under solvent-free microwave-assisted conditions: experimental results and theoretical approaches.Tetrahedron, 60(7), 2004, 1683-1691.

83) Lovas M., Kovacova M., Dimitrakis G., Cuvanova S., Znamenackova I., Jakabsky S. Modeling of microwave heating of andesite and minerals. International Journal of Heat and Mass Transfer 53, 2010, 3387-3393.

84) Lucchesi M.E., Smadja J., Bradshow S., Louw W., Chemat F. Solvent free microwave extraction of Ellataria cardamonum L.: a multivariate study of a new technique for the extraction of essential oil. Journal of Food Engineering 79, 2007, 1079-1086.

85) Ludlow-Palafox C., Chase HA. Microwave-induced pyrolysis of plastic wastes. Industrial and Engineering Chemistry Research 40(22), 2001, 4749-4756.

86) Marland S., Han B., Merchant A., Rowson N. The effect of microwave radiation on coal grindability. Fuel 79(11), 2000, 1283-1288.

87) Metaxas AC., Meredith RJ. Industrial microwave heating. Power Engineering Series 4. Peter Peregrinus Ltd. (IEE),., 1993, 376 p.

88) Menendez JA., Menendez EM., Inglesias Mj., Garcia A., Parra, PB., Pis JJ. Thermal treatment of active carbons: a comparison between microwave and electric heating. Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy, 34(3), 1999, 137-140.

89) Menendez J.A., Arenillas A., Fidalgo B., Fernandez Y., Zubizarreta L., Calvo E.G. Bermudez J.M. Review: microwave heating processes involving carbon materials. Fueal Processing Technology 91, 2008, 1-8.

90) Miklavc A. Strong Acceleration of Chemical Reactions Occurring Through the Effects of Rotational Excitation on Collision Geometry. ChemPhysChem, 2(8-9), 2001, 552-555

91) Mottet A., Steyer J.P., Deleris S., Vedrenne F., Chauzy J., Carrere J. Kinetics of thermophilic batch anaerobic digestion of thermal hydrolized waste activetd sludge. Biochemical Engineering Journal 46, 2009, 169-175.

92) Mudhoo A., Moorateeah P., Mohee R. Effects of microwave heating on biogas production, chemycal oxygen demand and volatile solids solubilization of food residues. World Academy of Science, Engineering and Technology 69, 2012, 805-810.

93) Müller J.A. Prospects and problems of sludge pretreatment processes. Water Science and Technology 44(10), 2001, 121-128.

94) Nelson S.O., Forbus J., Lawrence K. Permittivity o fresh fruits and vegetables at 0,2 to 2 GHz. Journal of microwave Power and Electromagnetic Energy 29, 1994, 81-93.

95) Nelson S.O. Fundamentals of dielectric properties measurements and agricultural applications. Journal of Microwave Power and electromagnetic Energy 44(2), 2010, 98-113.

96) Neyens E., Baeyens J. A review of thermal sludge pre-treatment processes to improve dewaterability. Journal of Hazardous Materials B(98), 2003, 51-67.

97) Oppermann SH., Brown RC. VOC emission control with polymeric adsorbents and microwave desorption. Pollution Engineering, 31(1), 1999, 58-60.

98) Országh I. Baromfifeldolgozási szennyvíziszap környezeti ártalmának megszüntetése mikrohullámú energiaközléssel. Műszaki Kémiai Napok Konferencia Kiadvány (2004), Veszprém, 117-122 p.

99) Park B., Ahn J.H., Kim J., Hwang S. Use of microwave pretreatment for enhanced anaerobiosos of secondary sludge. Water Science and Technology 50, 2004, 17-23.


____________________________________________________________________

125

100) Park W.J., Ahn J.H., Hwang S., Lee C.K. Effect of output power, target temperature, and solid concentration ont he solubilization of waste activated sludge using microwave irradiation. Bioresource Technology 101, 2010, S13-S16

101) Pennock S.R., Shepherd P.R. Microwave Engineering. McGraw-Hill Publ. Ltd., 352p.

102) Porcelli M., Cacciapuotia G., Fuscoa S., Massab R., D’Ambriosob G., Bertoldoa C., Rosaa M.D., Zappia V. Non-thermal effects of microwaves on proteins: thermophilic enzymes as modes system. FEBS Letter 402, 1997, 102-106.

103) Pozar D.M. Microwave Engineering. 2nd Ed., John Wiley and Sons, 1998, 716 p.

104) Prorot A., Julien L., Dagot C., Leprat P. Sludge disintegration during heat treatment at low temperature. Biochemical Engineering Journal 54, 2011, 178-184.

105) Qiao W., Wang W., Xun R. Lu WJ., Yin K.Q. Sewage sludge hydrothermal treatment by microwave irradiation combined with alkali addition. Journal of Materials Science 43(7), 2008, 2431-2436.

106) Raner KD., Strauss CR., Trainor RW., Thorn JS. A new microwave reactor for batchwise organic synthesis. Journal of Organic Chemistry 60(8), 1995, 2456-2460

107) Reimbert CG., Minzoni AA., Smyth NF. Effect of radiation losses on hotspot formation and propagation in microwave heating. IMA Journal of Applied Mathematics 57(2), 1996, 165-179.

108) Remya N., Lin J-G. Current status of microwave application in wastewater treatment-A review. Chemical Engineering Journal 166, 2011, 797-813.

109) Saillard R., Poux M., Berlan J. Audhuy-Peaudecerf M. Microwave heating of organic solvents: thermal effects and field modelling. Tetrahedron 51(14), 1995, 4033-4042.

110) Shahriari H., Warith M., Kennedy K.J. Effect of microwave temperature, intensity and moisture content on solubilization of organic fraction of municipal solid waste. International Journal of Environmental Technology and Management, 14(1-4), 2011, 67-83.

111) Shahriari H., Warith M., Hamoda M., Kennedy K.J. Anaerobic digestion of organic fraction of municipal solid waste combining two pretreatment modalities, high temperature microwave and hydrogen peroxide. Waste Management 32, 2012, 41-52.

112) Shamis Y., Patel S., Taube A., Morsi Y., Sbarski I., Shramkov Y., Croft R., Crawford R.J., Ivanova E.P. A new sterilization technique of bovine pericardial biomaterial using microwave radiation. Tissue Engineering Method 15, 2009, 445-454

113) Shamis Y., Mitik-Dineva N., Taube A., Crawford R.J., Ivanoca E.P. A study of the specific electromagnetic effects of microwave radiation on Escherichia coli. Applied Environmental Microbiology 77, 2011, 3017-3022.

114) Shamis Y., Croft R., Taube A., Crawford R.J., Ivanoca E.P. Review of the specific effects of microwave radiation on bacterial cells, Applied Microbiology and Biotechnology 96, 2012a, 319-325

115) Shamis Y., Taube A., Croft R.., Crawford R.J., Ivanoca E.P. Influence of 18 GHz microwave radiation ont he enzymatic activity of Eschericia coli lactate dehydrogenase and cytochrome c oxidase. Journal of Physics D: Applied Physics 5, 2012b, 13-17.

116) Sólyom K., Mato RB., Perez-Elvira SI., Cocero MJ: The influence of the energy absorbed from microwave pretreatment on biogas production from secondary wastewater sludge. Bioresource Technology 102(23), 2011, 10849-10854.

117) Szabó G., Rajko R., Hodúr C. Combined energy transfer by microwave-convective drying of agriculture materials. Hungarian Agricultural Engineering 11, 1998a, 23-25.

118) Szabó G., Rajkó R., Kovács E., Vidal-Valverde C. Optimisation of microwave treatment for reducing enzyme activity of soya bean. Acta Horticulturae 476, 1998b, 141-147.

119) Tang J., Feng H., Lau M. Microwave heating in food processing. In Yang and Tang eds. Advances in Bioprocessing Engineering Vol.1., World Scientific, London UK, 2002, 173 p.


____________________________________________________________________

126

120) Tang B., Yu L.F., Huang S.S., Luo J.Z., Zhuo Y. Energy efficinecy of pretreating excess sewage sludge with microwave irradiation. Bioresource Technology 101(14), 2010, 5092-5097.

121) Toreci I., Kennedy K.J., Droste R.L. Evaluation of continuous mesophilic anaerobic sludge digestion after high temperature microwave pretreatment. Water Resource 43, 2009, 1273-1284.

122) Yang, H.W., Gunsekaran, S. Comparison of temperature distribution in model food cylinders based on Maxwell’s eguations and Lambert’s law during pulsed microwave heating, Journal of Food Engineering, 64(4), 2004, 445-453.

123) Yang Y., Wang P., Shi S., Liu Y. Microwave enhanced Fenton-like process for the treatment of high concentration pharmaceutical wastewater. Journal of Hazardous Material 168, 2009, 238-245.

124) Yang Q., Yi J.., Jing X., Liu Y., Zeng. Improving disintegration and acidification of waste activated sludge by combined alkaline and microwave pretreatment. Process Safety and Environmental Protection 91, 2013, 521-526.

125) Yu Q., Lei H., Yu G., Feng X., Li Z., Wu Z. Influence of microwave irradiation on sludge dewaterability. Chemical Engineering Journal 155, 2009, 88-93.

126) Yu Q., Lei H.Y., Li Z., Li H.L., Chen K., Zhang X.H., Liang R.L. Physical and chemical properties of waste activated sludge after microwave treatment. Water Resource 44, 2010, 2841-2849.

127) Vass A., Pallai-Varsányi E., Göllei A., Halász L., Solymosi J., Vincze Á. Impregnált aktív szenek mikrohullámú viselkedése I. Hőmérsékleti profilok. Műszaki Kémiai Napok Konferenciakiadványa, 2005, 188-191

128) Vermes L. Hulladékgazdálkodás, hulladékhasznosítás. Mezőgazda Kiadó, Budapest, 2005, 220 p.

129) Wang S., Tang J., Cavalierai R.P., Davis D. Differential heating of insects in dried nuts and fruits associated with radio frequency and microwave treatments. Transaction ASAE 46, 2003, 1175-1182.

130) Weng SH., Wang J. Exploration ont he mechanism of coal desulphurisation using microwave irradiation and acid washing method. Fuel Processing Technology 31(3), 1992, 233-240.

131) Wennberg M., Ekvall J., Olsson K., Nyman M. Changes in carbohydrate and glucosinolat composition in white cabbage during blanching and treatment with acetic acid. Food Chemistry 95, 2006, 226-236.

132) Wicks GG., Schulz RL. Microwave remediation of hazardous and radioactive wastes. (WSRC-MS-99-00762 U:S: Patent, 1998)

133) Wojciechowska E. Application of microwaves for sewage sludge conditioning. Water Resource 39, 2005, 4749-4754.

134) Wong W.T., Chan W.I., Liao P.H., Lo K.V., Mavinic D.S. Exploring the role of hydrogen-peroxide in the microwave advanced oxidation process: solubilization of ammonia and phosphates. Journal of Environmental Engineering and Science 5(6), 2006, 459-465.

135) Zheng J., Kennedy K.J., Eskicioglu C. Effect of low temperature microwave pretreatment on characteristic and mesophilic digestion of primary slduge. Environmental Technology 30(4), 2009, 319-327.

136) 20/2001 (IV.3.) Kormányrendelet „A szennyvizek és szennyvíziszapok mezőgazdasági felhasználásának és kezelésének szabályairól”


____________________________________________________________________

127

10 A DOKTORI ÉRTEKEZÉS ALAPJÁT KÉPEZŐ KÖZLEMÉNYEK

1) Biogas production of ozone and/or microwave-pretreated canned maize production sludge Beszédes S., Kertész Sz., László Zs., Szabó G., Hodúr C. Ozone Science & Engineering 31(3) (2009) 257-261; IF: 1,252

2) Comparison of the effects of microwave irradiation with different intensities on the biodegradability of sludge from the dairy- and meat-industry Beszédes S., László Zs., Horváth H. Zs., Szabó G., Hodúr C. Bioresource Technology 102(2) (2011) 814-821; IF: 4,980

3) Effects of microwave pretreatments on the anaerobic digestion of food industrial sewage sludge Beszédes S., László Zs., Szabó G., Hodúr C. Environmental Progress & Sustainable Energy 30(3) (2011) 486-492; IF: 1,649

4) Microwave enhanced biodegradability of meat processing wastewater sludge Beszédes S., Ludányi L., Szabó G., Hodúr C. Environmental Engineering and Management (ISSN: 1582-9596) Accepted paper (2013 aug.); IF:1,258* Abstract online elérhető: http://omicron.ch.tuiasi.ro/EEMJ/pdfs/accepted/332_46_Beszedes_13.pdf

5) Application of response surface methodology to optimize microwave sludge conditioning for enhanced biogas production Beszédes S., Ábel M., László Zs., Szabó G., Hodúr C. Annals of Faculty Engineering Hunedoara-International Journal of Engineering 9(2) (2011) 189-193 (ISSN: 1821-4487)

Egyéb közlemények

1) The possibilities of bioenergy production from whey Beszédes S., László Zs., Szabó G., Hodúr C. Journal of Agricultural Science and Technology 4(1) (2010) 62-68 (ISSN: 1939-1250)

2) Berry pectins: Microwave-assisted extraction and rheological properties Bélafi-Bakó K., Cserjési P., Beszédes S., Csanádi Zs., Hodúr C. Food and Bioprocess Technology 5(3) (2012) 1100-1105; IF: 4,115

3) Microwave-assisted extraction of anthocyanins from black currant marc Pap N., Beszédes S., Pongracz E., Myllykoski L., Gábor M., Gyimes E., Hodúr C., Keiski R.L. Food and Bioprocess Technology 6(10) (2013) 2666-2674; IF: 3,126


____________________________________________________________________

128

4) Maximum recovery of different types of berry byproducts Hodúr C., Beszédes S., Kertész Sz., László Zs., Szabó G. Journal on Processing and Energy in Agriculture 13(4) (2009) 312-314 (ISSN:1821-4487)

5) Enhanced enzymatic saccharification of agri-food sloid wastes by microwave pre-treatment Beszédes S., Ábel M., szabó G., Hodúr C., László Zs. Annals of Faculty Engineering Hunedoara-International Journal of Engineering 9(3) (2011) 453-458 (ISSN: 1821-4487)

Konferencia előadások

1) Increasing of biodegradability and digestibility of dairy sludge by microwave treatment Beszédes S., László Zs., Szabó G., Hodúr C. 5th International Technical Symposium on Food Processing, Monitoring Technology in Bioprocesses

and Food Quality Management (Potsdam, Németország, 2009.08.31-2009.09.02) pp.: 315-323

(ISBN.978-300-028-811-1)

2) Toroid-rezonátor fejlesztése szennyvíziszapok mikrohullámú kondicionálására Beszédes S., Ludányi L., Koltai A., Szabó G. 7. Magyar Szárítási Szimpózium (Gödöllő, Magyarország, 2011.04.07-2011.04.08) pp.:12-13 (ISBN:

978-963-269-212-8)

3) Biogas production from food industry wastewater sludge intensified by microwave irradiation Beszédes S., Ábel M., László Zs., Szabó G., Hodúr C. Bioenergy and Other Renewable Energy Technologies and Systems (BRETS 2011): 33 International

Symposium of Section IV of CIGR (Bucuresti, Románia, 2011.06.23-2011.06.25) Paper PS307 (8p)

(ISBN 978-606-521-686-0)

4) Application of microwave toroidal cavity resonators for conditioning of food industry wastewater sludge Beszédes S., Ludányi L., Veszelovszki P., Hodúr C., Szabó G. ISEKI Food 2011 - Bridging Training and Research for Industry and the Wider Community: 2nd

International ISEKI Food Conference (Milan, Olaszország, 2011.08.31-2011.09.02) p..170 (ISBN

978-889-059-890-6)

5) Microwave treatment as a tool for enhanced waste valorisation Beszédes S., Kovács-Veszelovszky P., Ludányi L., Hodúr C., Szabó G. Synergy in the Technical Development of Agriculture and Food Industry, Abstracts of the II

International Conference of the CIGR Hungarian National Committee. (Gödöllő, Magyarország,

2011.10.09-2011.10.15) pp.: 65-71 (ISBN 978-963-269-249-4)


____________________________________________________________________

129

KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS

A doktori munkámhoz kapcsolódó infrastrukturális feltételek folyamatos biztosítása,

továbbá a kísérleti munka és az eredmények értékelése és elemzése, valamint a

disszertációm készítésében nyújtott segítségéért köszönetemet fejezem ki témavezetőmnek,

Dr. Hodúr Cecilia egyetemi tanárnak és társ-témavezetőmnek Dr. Keszthelyi-Szabó Gábor

egyetemi tanárnak. Köszönöm nekik, hogy 2002 óta lehetőséget biztosítanak az Intézet és a

Kutatócsoport munkájában való részvételre, rendelkezésemre álltak a szakmai problémáim

megoldásában, támogattak a tanulmányaim során és a kutató munkám nehézségeiben is.

Köszönetet szeretnék mondani Dr. Ludányi Lajos főiskolai tanárnak, aki a

kutatómunkám kezdete óta a mikrohullámú berendezések tervezésében és kivitelezésében,

továbbá a mikrohullámú mérési metódusok fejlesztésében a kutatócsoportunk munkáját

segíti. Köszönetemet szeretném továbbá kifejezni Dr. László Zsuzsanna egyetemi

docensek, aki a szakmai munkámat a kezdetektől támogatta és hathatós segítséget nyújtott a

kísérletek tervezése és a módszerfejlesztési feladatok során. Sokat segítettek a problémák

megoldásában, és a mindennapok szürkeségeit átvészelni PhD-s „társaim”: Dr. Kertész

Szabolcs, Szép Angéla, Ábel Marietta, Kiss Zsolt és Veszelovszki Petra, köszönöm ezt

nekik. Továbbá köszönet illeti a Folyamatmérnök Intézet miden kollégáját, mert a munkám

során végig segítségemre voltak és elviselték a kísérleteim okozta „kellemetlenségeket”.

Továbbá köszönet és hála illeti Krisztát, családomat és barátaimat, akik a nehézségek és

kételyeim során mellettem álltak és biztattak.

Köszönetemet fejezem ki a „Jedlik Ányos Doktorjelölti Ösztöndíj a Konvergencia

régióban” projekt által nyújtott pénzügyi támogatásért. A kutatás a TÁMOP 4.2.4.A/2-11-

1-2012-0001 Nemzeti Kiválóság Program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt

az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult

meg.

Documents

SZENNYVÍZISZAPOK BIOLÓGIAI …doktori.bibl.u-szeged.hu/2353/1/Beszedes disszertacio.pdfPhD értekezés, Beszédes Sándor, 2014 _____ 6 1 BEVEZETÉS A szennyvíztisztítási technológiák